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Oberbegriff
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Die Erfindung richtet sich auf ein Verfahren zur Regelung des Haltestroms für einen dreiphasigen Motor.
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Allgemeine Einleitung
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Es wird hier ein technisches Verfahren zur Minimierung des Haltestroms eines dreiphasigen im Stillstand bei gleichzeitigem Anliegen eines Drehmomentes an der Rotorachse des Motors beschrieben. Für eine derartige Minimierung muss die aktuelle Rotorposition innerhalb eines Bestromungssegments vorzugsweise sensorlos aus den zur Verfügung stehenden Bestromungs- und Spannungsdaten ermittelt werden. In allen Zuständen des weiter unten beschriebenen Zustandsdiagramms wird davon ausgegangen, dass an einer ersten Phase der drei Phasen des Motors 0 V und an einer zweiten Phase der drei Phasen des Motors die Wirkspannung angelegt wird. Die dritte Phase bleibt dabei offen. Die Induktivitätszusammenschaltung zwischen der ersten Phase des Motors und der zweiten Phase des Motors bildet dann ersatzschaltbildmäßig einen induktiven Spannungsteiler, der vermessen werden kann. Die dritte Phase des Motors bildet dabei den Ausgang dieses ersatzschaltbildmäßigen induktiven Spannungsteiles. Das Prinzip kann sowohl bei Motoren in Sternschaltung als auch bei Motoren in Dreiecksschaltung angewendet werden. Bei Motoren in Dreiecksschaltung ist eine erste Motorinduktivität zwischen den Anschluss der ersten Phase des Motors und dem zweiten Anschluss der zweiten Phase des Motors geschaltet. Eine dritte Motorinduktivität und eine zweite Motorinduktivität sind als Serienschaltung dieser beiden Motorinduktivitäten parallel zu der ersten Motorinduktivität ebenfalls zwischen den ersten Anschluss der ersten Motorphase des Motors und dem zweiten Anschluss der zweiten Motorphase des Motors geschaltet. Der dritte Anschluss der dritten Motorphase ist mit dem Ausgang dieses Spannungsteiles aus zweiter Motorinduktivität und erster Motorinduktivität verbunden. An diesem dritten Anschluss der dritten Motorphase finden die Messungen des Potenzials dieses Anschlusses statt. Gleiches gilt für einen Motor mit Sternschaltung. Der Sternpunkt eines solchen Motors in Sternschaltung ist stromlos über die dritte Motorinduktivität zugänglich, die den Sternpunkt mit dem dritten Anschluss der dritten Motorphase eines solchen Motors in Sternschaltung verbindet. Im Falle eines Motors mit Sternschaltung bildet der verbleibende induktive Spannungsteiler, der zwischen den zweiten Anschluss der zweiten Motorphase und dem ersten Anschluss der ersten Motorphase geschaltet ist, den Spannungsteiler, der vermessen wird. Dabei verbindet in diesem Fall eines Motors in Sternschaltung die erste Motorinduktivität den ersten Anschluss der ersten Motorphase mit dem Sternpunkt und die zweite Motorinduktivität den zweiten Anschluss der zweiten Motorphase mit dem Sternpunkt.
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Aufgabe
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Dem Vorschlag liegt die Aufgabe zugrunde, ein Regelverfahren für den Motorhaltestrom eines nicht drehenden Motors anzugeben, mit dem sichergestellt wird, dass der Haltestrom überhaupt immer sicher minimiert werden kann und keine wesentliche Bewegung des Rotors stattfindet. Die Vorteile sind hierauf aber nicht beschränkt.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 gelöst.
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Lösung der Aufgabe
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Zur Bestimmung der Rotorposition wird der Umstand genutzt, dass die Änderung der Induktivität am Potenzialverlauf des elektrischen Potenzials des dritten Anschlusses sichtbar und damit ermittelbar ist. Dem Fachmann ist im Übrigen klar, dass die Funktionen der Motoranschlüsse vertauscht werden können und dass das Verfahren für Motoren mit mehr Polen ebenfalls anwendbar ist. Insofern wird hier nur eine beispielhafte Verwendung beschrieben, ohne den beanspruchungsumfang dadurch zu verkleinern.
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Für die Vermessung der beiden bestromten ersatzschaltbildmäßigen Induktivitäten werden Pulse auf die angelegte Spannung zusätzlich aufmoduliert. Je nach Pulsrichtung, Pulshöhe und- dauer und Stellung des Rotors ändert sich die Spannungsantwort am nicht bestromten Motoranschluss.
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Schon mit einem Messpuls (Stand der Technik) ist die rotorpositionsbedingte Änderung der Induktivitäten am unbestromten Motoranschluss gut sichtbar. Mit einem solchen ersten Messpuls wird ein erster, diesem ersten Messpuls zugehörger Messwert des Potenzials am unbestromten Motoranschluss ermittelt. Dies hat jedoch den Nachteil, dass bei einer Bewegung (zwischen den Regelpunkten ist das System unbestromt) dieses Signal durch die BEMF (gegenelektomotorische Kraft) verfälscht wird. Daher wird mit einem zweiten, entgegengesetzten Messpuls (in die Gegenrichtung geschaltet) das Potenzial an dem unbestromten Motoranschluss nochmals gemessen und ein diesem zweiten Messpuls zugehöriger zweiter Messwert am unbestromten Motoranschluss ermittelt.
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Anschließend wird die Differenz aus dem ersten Messwert und dem zweiten Messwert ermittelt. Der Einfluss der BEMF wird dadurch eliminiert.
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Statt der zwei Messpulse werden vorschlagsgemäß zwei entgegengesetzte Antriebspulse verwendet, die sowohl dem Antrieb als auch der Vermessung dienen. Geregelt wird die Pulsbreite der Antriebspulse, da typischerweise die Spannung fest vorgegeben wird und keine Leistung in den Stellgliedern abfallen soll. Daher sind die Stellglieder in der Regel Schalter, die die Betriebsspannung an den betreffenden Motoranschluss anlegen oder nicht. Als Schalter werden bevorzugt Halbleiterbauelemente wie MOS -Transistoren oder IGBTs verwendet.
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Erfindungsgemäß wird nun der Betrag der besagten Differenz zwischen dem ersten Messwert und dem zweiten Messwert als Regelparameter (R) für die Regelung der Pulsbreite der beiden Antriebspulse verwendet, was den Kern der Erfindung darstellt.
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Bevorzugt wird bei der Regelung immer nur einer der beiden Antriebspulse in seiner zeitlichen Breite geregelt. Der nicht geregelte Antriebspuls hat eine vorgegebene oder vorgebbare oder einstellbare zeitliche Mindestbreite. Müsste bei der Regelung die zeitliche Breite des geregelten Antriebspulses diesen zeitlichen Minimalwert unterschreiten, so wird aus dem geregelten Antriebspuls der nicht geregelte Antriebspuls mit minimaler Breite und der bisher nicht geregelte Antriebspuls wird statt dessen zum geregelten Antriebspuls, dessen zeitliche Breite nun jedoch erhöht statt erniedrigt wird, was wirkungsmäßig einer Verkleinerung des bisherigen geregelten Antriebspulses gleichkommt. Auf diese Weise können auch negative Stellgrößen mit einem ersten Antriebspuls positiver erster zeitlicher Länge für den ersten bestromten Motoranschluss und mit einem zweiten Antriebspuls positiver erster zeitlicher Länge für den zweiten bestromten Motoranschluss realisiert werden.
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Das vorgeschlagene Regelverfahren für den Haltestrom in Form einer Regelung der zeitlichen Breiten der Antriebspulse besteht aus sechs verschiedenen Zuständen, die im Folgenden mit Zustand 0 bis Zustand 5 bezeichnet werden. Je nachdem, in welchem Zustand der Zustände 0 bis 5 sich das System befindet, wird die Regelung zustandsspezifisch geregelt.
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Wie bereits beschrieben wird hier nur der Betrag der Differenz als Regelparameter (| R|) verwendet. Hierdurch wird das Verfahren vereinfacht und ist für beide Richtungen gleich.
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Das Anhalten des Motors muss mit einem deutlich höheren Strom als dem maximal erlaubten Haltestrom erfolgen um sicherzustellen, dass die Rotorposition nach dem Anhalten sicher zwischen - 45° und +45° liegt.
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Es muss nun sichergestellt werden, dass sich der Motor mit Seiner Ansteuerung in einem Bereich befindet, in der eine Veränderung des Motorhaltestromes auch tatsächlich zu einer Veränderung des Drehmoments führt und tatsächlich einem von außen einwirkenden Drehmoment entgegenwirkt. Hierfür werden in dieser Offenlegung die besagten sechs Zustände 0 bis 5 unterschieden.
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In den Zuständen 0, 1, 2, 4 und 5 wird der Haltestrom durch Herunterregelung der zeitlichen Dauer des geregelten Ansteuerpulses so lange reduziert, bis ein Haltestrom, der in den ersten der beiden bestromten Motoranschlüsse hineinfließt und aus dem zweiten der beiden bestromten Motoranschlüsse wieder herausfließt, mit einem Haltestrombetragswert von 0A erreicht ist oder bis ein Zustandswechsel von diesen Zuständen 0, 1, 2, 4 und 5 zum Zustand 3 erfolgt.
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Für die Zustände 0, 1, 2, 3, und 4 ist jeweils ein Zustandswechsel in den Zustand mit der nächst höheren Zustandsnummer erlaubt. Das System darf also nur von Zustand 0 in den Zustand 1 und von Zustand 1 in den Zustand 2 und von Zustand 2 in den Zustand 3 und von Zustand 3 in den zustand 4 und von Zustand 4 in den Zustand 5 wechseln. Aus dem Zustand 5 darf das System nur in den Zustand 0 wechseln.
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Der Wechsel vom geregelten Zustand 0 in den nicht mehr geregelten Zustand 1 erfolgt, wenn der Betrag des Regelparameters (| R|) einen ersten Schwellwert (SW1) überschreitet. Dies bedeutet, dass ein Verlassen des Regelbereiches droht. Daher wird die Regelung hier gestoppt.
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Im ungeregelten Zustand 1 wird ein lokales Maximum (Rmax) des Betrags des Regelparameters (| R|) gesucht. Wird das lokale Maximum (Rmax) aus welchen Gründen auch immer durch den Betrag des Regelparameters (| R|) nun tatsächlich überschritten, so wechselt das System in den ebenfalls nicht geregelten Zustand 2. Unterschreitet der Betrag des Regelparameters (| R|) jedoch wieder den ersten Schwellwert (SW1), so wechselt das System zurück in den Zustand 0 und kann die Regelung des Motorstromes fortsetzen.
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Die Einnahme des Zustands 2 bedeutet, dass das System in das Maximum (Rmax) des Regelparameters (| R|) bereits überschritten hat und sich jenseits dieses Maximums befindet. Unterschreitet der Betrag des Regelparameters (| R|) den ersten Schwellwert (SW1) so wechselt das System vom nicht geregelten Zustand 2 in den geregelten Zustand 3, da hier eine sichere Regelung möglich ist.
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Nur im Zustand 3 und 0 findet eine Regelung der zeitlichen Dauer des geregelten Antriebspulses bzw. des Haltestromes der bestromten Motorphasen statt. Hierbei wird bevorzugt mittels eines PI-Regler, der den Regelparameter (R) als Regelgröße nutzt, der Motorstrom nachgeregelt, was bevorzugt durch die Veränderung der zeitlichen Dauer des geregelten Antriebspulses geschieht.
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Wird im Zustand 3 der erste Schwellwert (SW1) durch den Betrag des Regelparameters (| R |) überschritten, so wechselt das System vom geregelten Zustand 3 in den nicht Zustand 4, da ein Verlassen des Regelbereiches droht. Im Zustand 4 findet somit keine Regelung mehr statt und die Stromwerte sind typischerweise eingefroren. Die Regelung wird erst wieder bei Erreichen des Zustands 3 oder des Zustands 0 wiederaufgenommen. Gleiches gilt übrigens für das Verlassen des Zustands 3 in die andere Richtung und/oder ein Verlassen des Zustands 0.
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Der Zustand 4 bedeutet, dass das lokale Maximum (Rmax) des Betrags des Regelparameters (| R |) überschritten werden könnte und damit der Regelbereich möglicherweise wieder verlassen würde. Unterschreitet der Betrag des Regelparameters (| R|) wieder den ersten Schwellwert (SW1), so kann das System wieder zurück in den Zustand 3 wechseln und die Regelung wiederaufnehmen, da dann diese Überschreitung nicht mehr droht. Wird das Maximum (Rmax) überschritten, so wechselt das System in Zustand 5
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Der Zustand 5 bedeutet, dass ein Verlassen des Regelbereiches droht. Daher ist der Zustand 5 nicht geregelt und die Werte des Haltestroms sind eingefroren. Wird der erste Schwellwert (SW1) durch den Betrag des Regelparameters (| R|) unterschritten, so droht diese Gefahr nicht mehr. Das System wechselt dann vom ungeregelten Zustand 5 in den geregelten Zustand 0.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die Erfindung betrifft somit ein Verfahren zur Regelung des Haltestroms eines Motors mit mindestens drei Motorphasen an drei zugehörigen Motoranschlüssen mittels einer Steuerung, die sechs Zustände (0 bis 5) einnehmen kann. Das Verfahren umfasst den Schritt des Einspeisens eines Haltestroms in den ersten Motoranschluss und Entnahme des Haltestroms aus dem zweiten Motoranschluss, wobei der dritte Motoranschluss nicht bestromt ist.
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Das Verfahren umfasst den Schritt des zusätzlichen Bestromens des ersten Motoranschlusses mit einem ersten Ansteuerpuls zur Einspeisung eines ersten Strommesspulses in den Motor und der Entnahme des ersten Strommesspulses aus dem Motor an dem zweiten Motoranschluss und der Bestimmung des Potenzials des dritten Motoranschlusses gegen ein Bezugspotenzial als ersten Messwert. Dabei kann erfindungsgemäß der erste Ansteuerpuls auch die Funktion der Erzeugung des Haltestroms haben.
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Im Übrigen sei hier erwähnt, dass der erste und zweite Ansteuerimpuls auch mit getauschten Funktionen zum Haltestrom beitragen können, wenn das Vorzeichen des Haltestroms geändert werden muss.
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Das Verfahren umfasst den Schritt des Bestromens des zweiten Motoranschlusses mit einem zweiten Ansteuerpuls zur Einspeisung eines zweiten Strommesspulses in den Motor und der Entnahme des zweiten Strommesspulses aus dem Motor an dem ersten Motoranschluss und der Bestimmung des Potenzials des dritten Motoranschlusses gegen ein Bezugspotenzial als zweiten Messwert. Dabei kann erfindungsgemäß der zweite Ansteuerpuls auch die Funktion der Verminderung des Haltestroms haben kann.
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Das Verfahren umfasst den Schritt des Bestimmens eines Regelparameters (R) als Differenz des ersten Messwerts und des zweiten Messwerts.
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Das Verfahren umfasst den Schritt des Regelns des Haltestroms in Abhängigkeit von dem Regelparameter (R), wenn sich die Steuerung im Zustand 0 oder im Zustand 3 befindet.
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Das Verfahren umfasst den Schritt des Beibehaltens des Haltestroms in Abhängigkeit von dem Regelparameter (R), wenn sich die Steuerung im Zustand 1 oder im Zustand 2 oder im Zustand 4 oder im Zustand 5 befindet.
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Die Steuerung wechselt dabei vom Zustand 0 in den Zustand 1, wenn der Betrag des Regelparameters (| R|) größer als ein erster Schwellwert (SW1) ist, der gleich einem oder mehreren der anderen Schwellwerte (SW1 bis SW6) sein kann.
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Die Steuerung wechselt dabei vom Zustand 1 in den Zustand 2, wenn der Betrag des Regelparameters ( | R|) größer als ein Maximalwert (Rmax) ist.
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Die Steuerung wechselt dabei vom Zustand 1 in den Zustand 0, wenn der Betrag des Regelparameters (| R|) kleiner als ein zweiter Schwellwert (SW2) ist, der gleich einem oder mehreren der anderen Schwellwerte (SW1 bis SW6) sein kann.
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Die Steuerung wechselt dabei vom Zustand 2 in den Zustand 3, wenn der Betrag des Regelparameters (| R|) kleiner als ein dritter Schwellwert (SW3) ist, der gleich einem oder mehreren der anderen Schwellwerte (SW1 bis SW6) sein kann.
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Die Steuerung wechselt dabei vom Zustand 3 in den Zustand 4, wenn der Betrag des Regelparameters (| R|) größer als ein vierter Schwellwert (SW4) ist, der gleich einem oder mehreren der anderen Schwellwerte (SW1 bis SW6) sein kann.
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Die Steuerung wechselt dabei vom Zustand 4 in den Zustand 5, wenn der Betrag des Regelparameters (| R|) größer als der Maximalwert (Rmax) ist.
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Die Steuerung wechselt dabei vom Zustand 4 in den Zustand 3, wenn der Betrag des Regelparameters (| R|) kleiner als ein fünfter Schwellwert (SW5) ist, der gleich einem oder mehreren der anderen Schwellwerte (SW1 bis SW6) sein kann.
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Die Steuerung wechselt dabei vom Zustand 5 in den Zustand 0, wenn der Betrag des Regelparameters (| R|) kleiner als ein sechster Schwellwert (SW6) ist, der gleich einem oder mehreren der anderen Schwellwerte (SW1 bis SW6) sein kann.
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Vorteil
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Ein solches Verfahren stellt sicher, dass der Haltestrom jederzeit minimal ist. Die Vorteile sind hierauf aber nicht beschränkt.
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Figurenliste
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zeigt das Zustandsdiagramm der Zustände der Steuerung und die Übergänge zwischen diesen.
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Zeigt den Verlauf des Betrags des Potenzials am dritten Motoranschluss (V3) gegen ein Bezugspotenzial und den Verlauf des eingeprägten Potenzials (V1) am ersten Motoranschluss und den Verlauf des eingeprägten Potenzials (V2) am zweiten Motoranschluss bei Lastfreiheit und Mittenstellung (θ=0°) des Rotors. Man erkennt die beiden Ansteuerpulse am ersten Motoranschluss und am zweiten Motoranschluss und die Wirkung am dritten Motoranschluss. Der erste Messwert (M1) wird bevorzugt während des ersten Ansteuerpulses am ersten Motoranschluss durch Messung am dritten Motoranschluss nach dem Einschwingen erfasst. Der zweite Messwert (M2) wird bevorzugt während des zweiten Ansteuerpulses am zweiten Motoranschluss durch Messung am dritten Motoranschluss nach dem Einschwingen erfasst. Unter diesen Bedingungen ist der Betrag des Regelparameters (| R |) in etwa 0V.
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zeigt den Verlauf des Betrags des Potenzials am dritten Motoranschluss (V3) gegen ein Bezugspotenzial und den Verlauf des eingeprägten Potenzials (V1) am ersten Motoranschluss und den Verlauf des eingeprägten Potenzials (V2) am zweiten Motoranschluss bei Lastfreiheit und Verdrehung (0~-45°) des Rotors. Man erkennt die beiden Ansteuerpulse am ersten Motoranschluss und am zweiten Motoranschluss und die Wirkung am dritten Motoranschluss. Der erste Messwert (M1) wird bevorzugt während des ersten Ansteuerpulses am ersten Motoranschluss durch Messung am dritten Motoranschluss nach dem Einschwingen erfasst. Der zweite Messwert (M2) wird bevorzugt während des zweiten Ansteuerpulses am zweiten Motoranschluss durch Messung am dritten Motoranschluss nach dem Einschwingen erfasst. Unter diesen Bedingungen ist der Betrag des Regelparameters (| R|) einen von 0V verschiedenen Wert.
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zeigt den Verlauf des Betrags des Potenzials am dritten Motoranschluss (V3) gegen ein Bezugspotenzial und den Verlauf des eingeprägten Potenzials (V1) am ersten Motoranschluss und den Verlauf des eingeprägten Potenzials (V2) am zweiten Motoranschluss bei Lastfreiheit und Verdrehung (0~+45°) des Rotors. Man erkennt die beiden Ansteuerpulse am ersten Motoranschluss und am zweiten Motoranschluss und die Wirkung am dritten Motoranschluss. Der erste Messwert (M1) wird bevorzugt während des ersten Ansteuerpulses am ersten Motoranschluss durch Messung am dritten Motoranschluss nach dem Einschwingen erfasst. Der zweite Messwert (M2) wird bevorzugt während des zweiten Ansteuerpulses am zweiten Motoranschluss durch Messung am dritten Motoranschluss nach dem Einschwingen erfasst. Unter diesen Bedingungen ist der Betrag des Regelparameters (| R|) ebenfalls einen von 0V verschiedenen Wert.
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Zeigt den Verlauf des Regelparameters R in Abhängigkeit von der Rotorposition (θ) und die Schwellen unter der Annahme, dass der Betrag aller Schwellwerte gleich dem Betrag des ersten Schwellwerts (SW1) ist.
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zeigt den Verlauf des Betrags des Potenzials am dritten Motoranschluss (V3) gegen ein Bezugspotenzial und den Verlauf des eingeprägten Potenzials (V1) am ersten Motoranschluss und den Verlauf des eingeprägten Potenzials (V2) am zweiten Motoranschluss bei Belastung mit einem Drehmoment und Position des Rotors an den beispielhaften Regelpunkten (CP) in 5. Man erkennt die beiden Ansteuerpulse am ersten Motoranschluss und am zweiten Motoranschluss und die Wirkung am dritten Motoranschluss. Der erste Messwert (M1) wird bevorzugt während des ersten Ansteuerpulses am ersten Motoranschluss durch Messung am dritten Motoranschluss nach dem Einschwingen erfasst. Der zweite Messwert (M2) wird bevorzugt während des zweiten Ansteuerpulses am zweiten Motoranschluss durch Messung am dritten Motoranschluss nach dem Einschwingen erfasst. Der zweite Ansteuerimpuls am zweiten Motoranschluss (siehe Potenzialverlauf V2 am zweiten Motoranschluss) ist zeitlich länger als der erste Ansteuerimpuls am ersten Motoranschluss (siehe Potenzialverlauf V1 am ersten Motoranschluss). Unter diesen Bedingungen ist der Betrag des Regelparameters (| R|) ebenfalls einen von 0V verschiedenen Wert. Gleichzeitig fließt ein effektiver Wirkstrom, der ein Drehmoment verursacht.
