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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Begrenzen des Gesamtstroms für eine Anordnung aus mehreren Elektromotoren.
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Anordnungen mit mehreren Elektromotoren finden in verschiedenen Bereichen, wie zum Beispiel in der Kraftfahrzeugtechnik oder in der Robotik, insbesondere bei Roboterhänden, Anwendung. Hierbei werden die Motoren meist unabhängig voneinander und nicht im gleichen Arbeitsbereich betrieben. Der insgesamt von den Motoren benötigte Gesamtstrom ist schwer vorherzusagen. Eine Gesamtstrombegrenzung, die aufgrund von Zuleitungsquerschnitten oder vorgeschalteten Netzteilen erforderlich sein kann, ist nicht ohne weiteres zu realisieren.
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Bei einer möglichen Variante wird für jeden einzelnen Motor der Strom in der Gleichstromzuleitung aus einem Zwischenkreis gemessen und bei Überschreitung eines Grenzwerts die Motorleistung heruntergeregelt. Hierbei entstehen Phasenverschiebungen zwischen dem Strom, den die Motoren aus dem Zwischenkreis entnehmen und dem durch die Gleichstromzuleitung nachgelieferten Strom. Die Ursache hierfür ist in der Grenzfrequenz des Zwischenkreisfilters, das üblicherweise als LC-Filter zweiter Ordnung ausgeführt ist, zu sehen. Um eine gute Filterwirkung zu erzielen, muss die Grenzfrequenz des Zwischenkreisfilters deutlich niedriger gewählt sein als die Umschaltfrequenz der Transistoren zur Motoransteuerung.
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Eine lineare Strombegrenzung in der Zuleitung zu den Motoren würde im Begrenzungsfall einen hohen Verlust erzeugen und führt aufgrund des Zwischenkreisfilters ebenfalls zu Stabilitätsproblemen.
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Die Elektromotoren sind hierbei typischerweise bürstenlose Gleichstrommotoren oder Servomotoren. Bürstenmotoren sind jedoch gleichermaßen anwendbar. Derartige Motoren werden aus einem Zwischenkreis versorgt. Hierbei können entweder alle Motoren aus einem gemeinsamen Zwischenkreisfilter versorgt werden. Alternativ kann jeder Motor aus einem eigenen Zwischenkreis versorgt werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Gesamtstrom für eine Anordnung aus mehreren Elektromotoren auf einfache Weise zu begrenzen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist definiert durch die Merkmale von Patentanspruch 1.
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Hierbei wird zunächst der Gesamtstrom aller Motoren bestimmt und mit einem vorgegebenen maximal zulässigen Gesamtstrom verglichen. Jeder Motorsteuereinheit wird eine auf ein zulässiges Maximum begrenzte Vorgabe für den maximal zu stellenden Strom oder die maximal zu stellende Drehzahl zugeführt. Falls der Vergleich zu dem Ergebnis führt, dass der ermittelte Gesamtstrom größer als der maximal zulässige Gesamtstrom ist, wird die Vorgabe für den maximal zu stellenden Strom oder für die maximal zu stellende Drehzahl derart gesenkt, dass der ermittelte Gesamtstrom den maximal zulässigen Gesamtstrom nicht mehr übersteigt. Bei der Gesamtstrombegrenzung wird also jeder einzelnen Motorsteuereinheit eine angepasste Vorgabe für den maximal zu stellenden Motorstrom bzw. eine Vorgabe für die maximal erlaubte Motordrehzahl zugeführt. Solange der zulässige Gesamtstrom nicht überschritten wird, steht für jeden Motor ein maximaler Motorstrom zur Verfügung und er kann sein volles Drehmoment entfalten. Im Begrenzungsfall, das heißt, wenn der maximal zulässige Gesamtstrom überschritten wird, wird der maximal zulässige Strom jedes Motors genau soweit begrenzt und entsprechend nachgeregelt, dass der zulässige Gesamtstrom, der dem Zwischenkreisfilter entnommen wird, nicht überschritten wird. Im Begrenzungsfall kann ein einzelner Motor dann sein volles Drehmoment nicht mehr zur Verfügung stellen. Bei Regelung der vorgegebenen Drehzahl eines Motors wird die Begrenzung des zulässigen Gesamtstroms aus dem Zwischenkreis durch eine Reduktion der Motordrehzahl erreicht, wobei das maximale Motordrehmoment erhalten bleibt. Dies ist insbesondere bei Anwendungen von Vorteil, bei denen der zur Verfügung stehende Motoreingangsstrom für das volle Drehmoment aller Motoren im Stillstand ausreicht und sichergestellt sein muss, dass ein Haltemoment nicht unterschritten wird.
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Die Besonderheit der Erfindung besteht darin, dass über die direkt an den einzelnen Motoren an den vorhandenen Strommesswiderständen gemessenen Ströme auf den Gesamtstrom geschlossen wird, der jeweils dem Zwischenkreis entnommen wurde. Alternativ können die Ströme an vorhandenen Stromwandlern der einzelnen Motoren gemessen werden. Die direkte Messung an den Strommesswiderständen oder an den Stromwandlern ermöglicht eine vergleichsweise schnellere Reaktion und eine Vermeidung eines Überschwingens, als dies bei einer Regelung des in den Zwischenkreis hineinfließenden Stroms aufgrund der geringeren Bandbreite des Zwischenkreisfilters möglich wäre.
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Vorzugsweise wird der Gesamtstrom durch Ermitteln der Motorströme gemessen an einem oder mehreren Strommesswiderständen oder Stromwandlern und anschließendes Addieren der einzelnen Motorströme bestimmt. Alternativ kann der Gesamtstrom durch Mittelwertbildung der Motorströme gemessen an jeweils einem Strommesswiderstand und anschließender Multiplikation des Mittelwerts mit der Anzahl der Motoren bestimmt werden. Ein Stromwandler schließt aus dem Magnetfeld um einen Leiter auf den durch den Leiter fließenden Strom.
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Als Strommesswiderstände können die Fußpunktwiderstände eines mit Raumzeigermodulation betriebenen Elektromotors oder der Shunt eines mit 6-Step-Kommutierung betriebenen Elektromotors verwendet werden. Der Motorstrom eines mit Raumzeigermodulation betriebenen Elektromotors kann durch Widerstände oder Stromwandler in den Phasen oder in den Fußpunkten ermittelt werden. Dadurch ist eine zusätzliche Messung des Stroms, der dem Zwischenkreis von allen Motoren entnommen wird, nicht erforderlich.
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Um zu ermitteln, welcher Strom dem Zwischenkreis entnommen wird, erfolgt vorzugsweise eine Tiefpassfilterung des durch Kommutierung entstehenden pulsförmigen, stromproportionalen Signals. Das tiefpassgefilterte Signal entspricht dem im Mittel aus dem Zwischenkreis entnommenen Motorstrom. Die tiefpassgefilterten Signale aller Motoren werden anschließend aufsummiert oder deren Mittelwert mit der Motoranzahl multipliziert, um den Gesamtstrom zu bestimmen, den alle Motoren dem Zwischenkreis entnehmen. Hierbei kann die Tiefpassfilterung auch nach Aufsummieren der Motorströme bzw. des multiplizierten Mittelwerts erfolgen.
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Die Grenzfrequenz der Tiefpassfilterung der Motorströme sollte niedriger als die Frequenz der Pulsweitenmodulation sein, mit welcher die Motoren angesteuert werden. Alternativ oder ergänzend kann die Filterordnung des Tiefpassfilters höher sein als die Ordnung des Zwischenkreisfilters zur Speisung der Motoren. Das Zwischenkreisfilter ist typischerweise ein Tiefpass zweiter Ordnung. Hierdurch können der Rippelanteil des Signals noch ausreichend unterdrückt werden und dennoch dessen Phasenverschiebung gering ausfallen.
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Das durch Summierung oder/durch multiplizierte Mittelwertbildung und Filterung generierte Signal ist proportional zu dem insgesamt dem Zwischenkreisfilter während einer Pulsweitenmodulationsperiode entnommenen Strom.
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Dieses Signal wird mit dem vorgegeben maximal zulässigen Gesamtstrom für die Elektromotoren verglichen. Hierzu kann die Differenz des zulässigen Gesamtstroms und des summierten Filtersignals verstärkt werden. Das verstärkte Differenzsignal wird auf ein zulässiges Maximum begrenzt, welches dem maximal zulässigen Motorstrom des einzelnen Motors entspricht. Das begrenzte und differenzverstärkte Signal wird von allen Motorsteuereinheiten bzw. Motorfrequenzumrichter als Vorgabe für den maximal verwendbaren Motorstrom verwendet. Im Falle unterschiedlicher Motormaximalströme kann diese Sollgröße für jeden Motor durch Skalierung angepasst werden. Die Vorgabe des maximal zulässigen Motorstroms kann von der Motoransteuerung unterschiedlich ausgewertet werden. Bei 6-Step-Kommutierung stellt die Vorgabe das Stromlimit für das Einsetzen des Chop-Betriebs dar. Bei Raumzeigermodulation kann sie als Strom-Maximalwert oder zur Skalierung des Stromes herangezogen werden. Die Vorgabe der Drehzahl ist eine mögliche Alternative zur Vorgabe des Motorstroms.
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Zur Begrenzung des dem Zwischenkreis entnommenen Gesamtstroms wird erfindungsgemäß eine Regelschleife gebildet, die jedem Motor einen maximalen Strom zur Verfügung stellt, solange der zulässige Gesamtstrom nicht überschritten wird. Jeder Motor kann dann sein volles Drehmoment entfalten. Wird der vorgegebene maximale Gesamtstrom überschritten, so wird der maximal zulässige Motorstrom aller Motoren genau soweit begrenzt und passend nachgeregelt, dass der erlaubte Gesamtstrom, welcher dem Zwischenkreisfilter entnommen wird, nicht überschritten wird.
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Im Folgenden werden anhand der Figuren zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 ein erstes Ausführungsbeispiel und
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2 ein zweites Ausführungsbeispiel.
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Bei beiden Ausführungsbeispielen werden mehrere Elektromotoren 10 in Parallelschaltung an einem gemeinsamen Zwischenkreis 12 betrieben. Hierbei wird jeder Elektromotor 10 an jeweils einem Frequenzumrichter 14 mit Motorsteuertransistoren 16 betrieben. Eine Motorsteuereinheit 18, z. B. in Form eines Mikrocontrollers, steuert die Transistoren 16. Hierzu ist jeder Steuertransistor 16 mit der Motorsteuereinheit 18 und mit jeweils einer Phase des Motors 10 verbunden. Der Zwischenkreis 12 enthält ein Zwischenkreisfilter 20 in Form eines aus einem Kondensator 22 und einer Spule 24 gebildeten Tiefpasses. Das Zwischenkreisfilter 20 ist über eine Zuleitung 26 mit dem Umrichter 14 jedes Motors 10 verbunden.
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Bei dem Ausführungsbeispiel in 1 wird der Motor 10 mit Raumzeigermodulation betrieben. Hierzu ist jeweils ein Steuertransistor 16 mit genau einer Phase des Motors 10, der Motorsteuereinheit 18 und einem Fußpunktwiderstand 28 verbunden. Der Strom in jedem Fußpunktwiderstand 28 wird durch Messen der Spannung oberhalb jedes Fußpunktwiderstands 28 gegenüber der Masse bestimmt und mit der Einrichtung 30 der Mittelwert der drei Ströme durch die Fußpunktwiderstände 28 gebildet.
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Das Ausführungsbeispiel von 2 unterscheidet sich von dem Ausführungsbeispiel in 1 dadurch, dass jeder Elektromotor 10 mit 6-Step-Kommutierung betrieben wird. Hierzu sind jeweils zwei Steuertransistoren 16 mit einer Phase des Motors 10 verbunden. Drei der insgesamt sechs Steuertransistoren sind an dem oberen Ende eines Shunts 32 miteinander und mit dem Shunt 32 verbunden. Der Motorstrom kann hierbei direkt durch Messen der Spannung an dem Shunt 32 gegenüber der Masse bestimmt werden.
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Den Ausführungsbeispielen gemäß 1 und gemäß 2 ist gemeinsam, dass die jeweils gemessenen Motorströme, also durch Mittelwertbildung der Ströme durch die Fußpunktwiderstände 28 gemäß 1, oder der Strom durch den Shunt 32 gemäß 2, in einem Summierer 34 aufsummiert werden und als Gesamtsignal über eine Verbindungsleitung 36 auf den negativen Eingang eines Differenzverstärkers 38 gegeben werden. An dem positiven Eingang des Differenzverstärkers 38 liegt der maximal zulässige Gesamtstrom 40 an.
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Der Differenzverstärker 38 bildet die Differenz aus maximal zulässigem Gesamtstrom 40 und dem zuvor ermittelten Gesamtstrom in der Leitung 36. Am Ausgang des Differenzverstärkers 38 ist eine Regeleinrichtung 42 vorgesehen, die das Ausgangssignal des Differenzverstärkers 38 auf einen maximal zulässigen Motorstrom 44 begrenzt. Alternativ kann die Regeleinrichtung 42 das Ausgangssignal des Differenzverstärkers 38 auf eine maximal zulässige Motordrehzahl begrenzen. Das derart begrenzte Ausgangssignal des Differenzverstärkers 38 wird anschließend als Vorgabe für den Motorstrom oder die Drehzahl jedes Motors 10 an jede Motorsteuereinheit 18 gegeben. Hierzu sind die Motorsteuereinheiten 18 in Parallelschaltung mit der Regeleinrichtung 42 verbunden.
