DE10255371A1

DE10255371A1 - 3-Phasen-Wechselstrommotorcontroller mit einer Überstromschutzfunktion

Info

Publication number: DE10255371A1
Application number: DE10255371A
Authority: DE
Inventors: Yoshitaka Hayashi
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2001-11-27
Filing date: 2002-11-27
Publication date: 2003-06-12
Also published as: FR2832873B1; JP2003164185A; FR2832873A1

Abstract

Entsprechend der vorliegenden Erfindung ist ein Motorcontroller zum Schützen eines 3-Phasen-Wechselstrommotors mit einer geringen Menge von Berechnungen geeignet. Der Motorcontroller mißt Ansteuerungsströme, welche in die Motorwicklungen fließen, führt eine 3/2-Phasen-Umwandlung der Ansteuerungsströme in einen q-Achsen-Strom und einen d-Achsen-Strom durch, erzeugt 3-Phasen-Pulsbreitenmodulationssignale auf der Grundlage des q-Achsen-Stroms, des d-Achsen-Stroms und eines Sollwerts, welcher durch ein Drehmomentbefehl bestimmt wird, der von außen eingegeben wird. Der Motorcontroller und/oder der Motor werden auf der Grundlage einer Kupferverlustgröße geschützt, die aus dem q-Achsen-Strom und/oder dem d-Achsen-Strom berechnet wird. Wenn die Kupferverlustgröße größer als ein vorbestimmter Schwellenwert ist, begrenzt der Schutzabschnitt den Sollwert auf einen vorbestimmten Grenzwert (oder einen für die Kupferverlustgröße zugelassenen maximalen Wert), der in einem ROM gespeichert ist.

Description

Hintergrund der Erfindung

1. Gebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich im allgemeinen auf einen 3-Phasen-Wechselstrommotorcontroller (3-Phasen-AC-Motorcontroller) und insbesondere auf eine Überstromschutzschaltung, die in einem derartigen Motorcontroller verwendet wird.

2. Beschreibung des Stands der Technik

Um zu verhindern, daß ein Motor und/oder dessen Controller infolge eines übermäßigen Stroms überhitzt wird, wird in Motorsystemen eine Schutzmaßnahme vorgenommen. Die Strombegrenzung der Motorwicklungen wird üblicherweise durch Begrenzen der Motorwicklungsströme erzielt, wenn eine Bezugsgröße einen Schwellenwert überschreitet. Als Bezugsgröße werden verwendet: der durchschnittliche Motorstrom als Parameter, welcher eine enge Korrelation zu dem Erwärmungsbetrag besitzt; eine innere Temperatur als Funktion eines Leistungsverlusts, gegeben durch die Differenz zwischen der Ausgangsleistung und der Eingangsleistung, welche aus der Spannung, dem Strom und der Anzahl von Umdrehungen geschätzt wird; und eine innere Temperatur als Funktion eines Leistungsverlusts, abgeschätzt aus dem Quadrat des Stromwerts und des Wicklungswiderstands.
Bei einer derartigen Strombegrenzung ist es wichtig, die Motorströme genau zu erfassen. Zu diesem Zweck muß ein großer Betrag von Berechnungen mit einer hohen Geschwindigkeit durch Abtasten der AC-Motorströme durchgeführt werden. Beispielsweise besitzt in einem 16-poligen 3-phasigen bürstenlosen Motor (oder bürstenlosen DC-Motor), welcher mit einer Umdrehungsgeschwindigkeit von 2000 UpM dreht, jeder der Ströme der drei Phasen iu, iv und iw eine AC-Wellenform mit einer Periode von 3,75 ms. Wenn 12 Punkte in jeder Periode abgetastet werden sollen, ist es nötig, eine Datenverarbeitung jede 0,1 ms auszuführen, wobei eine Analog/Digital-Umwandlung erfolgt. Dies erfordert Hilfsmittel für eine Hochgeschwindigkeitsdatenverarbeitung.

Es wird ein 3-Phasen-AC-Motorcontroller benötigt, der geeignet ist, den Motor vor einer Überhitzung oder einem Überstrom gut zu schützen, während die Überlastung von Datenverarbeitungshilfsmitteln verringert wird.

Kurzfassung der Erfindung

Die Lösung der Aufgabe erfolgt bei der vorliegenden Erfindung durch einen Motorcontroller, welcher zum Schützen eines 3-Phasen-Wechselstrommotors mit einem geringen Umfang von Berechnungen geeignet ist. Der 3-Phasen-Wechselstrommotorcontroller mißt Ansteuerungsströme, welche in den drei Wicklungen eines Motors fließen; führt 3/2- Phasen-Umwandlungen der Ansteuerungsströme in einen q- Achsen-Strom und einen d-Achsen-Strom durch, erzeugt 3- Phasen-Pulsbreitenmodulationssignale auf der Grundlage des q-Achsen-Stroms, des d-Achsen-Strom und eines Sollwerts, welcher durch einen Drehmomentbefehl bestimmt wird, der von außen auf bekannte Weise eingegeben wird. Der 3-Phasen-Wechselstrommotorcontroller ist mit einem Schutzabschnitt zum Schützen des 3-Phasen-Wechselstrommotorcontrollers und/oder des Motors auf der Grundlage einer Kupferverlustgröße versehen, die berechnet wird aus dem q-Achsen-Strom und/oder dem d-Achsen-Strom.

Der Schutzabschnitt ist vorzugsweise derart gebildet, daß er den Sollwert auf einen in einem nichtflüchtigen Speicher gespeicherten vorbestimmten Grenzwert begrenzt, wenn die Kupferverlustgröße größer als ein vorbestimmter Schwellenwert ist.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der vorbestimmte Grenzwert ein Maximalwert, der für die Kupferverlustgröße erlaubt ist. Die Kupferverlustgröße kann aus entweder dem q-Achsen-Strom oder dem d-Achsen-Strom berechnet werden.

Wenn der Sollwert begrenzt wird, kann der Schutzabschnitt ein Alarmsignal ausgeben.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Weitere Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung wie in der zugehörigen Zeichnung veranschaulicht ersichtlich, wobei:
Fig. 1 ein schematisches Blockdiagramm zeigt, welches eine Anordnung eines 3-phasigen bürstenlosen Motorsystems der Erfindung darstellt;
Fig. 2 ein Diagramm zeigt, welches einen Schaltungsabschnitt des Motors 1 und der Motoransteuerung 31 von Fig. 1 darstellt;
Fig. 3 ein Flußdiagramm zeigt, welches eine beispielhafte Operation darstellt, wobei der Motorschutzabschnitt 63 eine Begrenzung der Motorströme entsprechend einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung ausführt; und
Fig. 4 einen Graphen zeigt, welcher eine Beziehung zwischen der berechneten Temperatur T und einem entsprechenden erlaubbaren Maximalwert des q-Achsen-Stroms iq darstellt.
In der Zeichnung werden dieselben Elemente in mehr als einer Figur mit denselben Bezugszeichen bezeichnet.

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Fig. 1 zeigt ein schematisches Blockdiagramm, welches eine Anordnung eines bürstenlosen 3-Phasen-Motorsystems der Erfindung darstellt. Entsprechend Fig. 1 enthält das bürstenlose 3-Phasen-Motorsystem einen bürstenlosen 3- Phasen-Motor 1, welcher einen nicht dargestellten Rotor enthält, einen Rotorpositionssensor 2, einen Controller des bürstenlosen 3-Phasen-Motors zum Steuern des Motors 1; und Stromsensoren 4 und 5 zum Messen von zwei der drei Motorwicklungsströme.
Der Controller 3 enthält eine Motoransteuerung 31, einen PWM-Signal-Wandler (PWM) 32, einen 2-Phasen/3-Phasen-Wandler (2/3-Phasen-Wandler) 33, einen 3-Phasen/2- Phasen-Wandler (3/2-Phasen-Wandler) 34, zwei PI-Controller (PICs) 35 und 36, Subtrahierer 37 und 38, einen Drehmoment/Strom-Wandler 39, einen Winkelwandler 61, einen Phasenstromwandler 62 und einen Motorschutzabschnitt 63. Die Elemente außer dem Motorschutzabschnitt 63 sind dieselben wie jene eines herkömmlichen bürstenlosen 3-Phasen-Motorsystems. Der Controller 3 wird vorzugsweise durch Verwendung einer CPU (einer zentralen Verarbeitungseinheit) oder eines (nicht dargestellten) Mikroprozessors mit eingebauten ADCs realisiert, er kann sich jedoch auch lediglich aus diskreten Schaltungen und/oder anwendungsspezifischen integrierten Schaltungen zusammensetzen. Beispielsweise werden der Drehmoment/Strom-Wandler 39 und der Motorschutzabschnitt 62 vorzugsweise als Software implementiert, welche in einem nicht dargestellten ROM (Festwertspeicher) gespeichert und durch die nicht dargestellte CPU ausgeführt wird.
Fig. 2 zeigt ein Diagramm, welches einen Schaltungsabschnitt des Motors 1 und die Motoransteuerung 31 von Fig. 1 darstellt. Entsprechend Fig. 2 enthält der Motor 1 Wicklungen einer U-Phase 11, einer V-Phase 12 und einer W-Phase 13. Die Motoransteuerung 31 ist eine 3-Phasen-Inverterschaltung, welche drei Brückenarme für die drei Phasen aufweist. Ein U-Phasen-Brückenarm enthält obere 311 und untere Leistungsschalter 312, wobei der Knotenpunkt dazwischen mit der U-Wicklung 11 verbunden ist; ein V-Phasen-Brückenarm enthält obere 313 und untere Leistungsschalter 314, wobei der Knotenpunkt dazwischen mit der V-Wicklung 12 verbunden ist; und ein W-Phasen- Brückenarm enthält obere 315 und untere Leistungsschalter 316, wobei der Knotenpunkt dazwischen mit der W-Wicklung 13 verbunden ist. Jeder der Leistungsschalter 311 bis 316 enthält einen Leistungs-MOSFET (Metalloxidhalbleiterfeldeffekttransistor) und Freilaufdioden (D), welche antiparallel mit dem Leistungs-FET verbunden sind. Das obere Schalterende und das untere Schalterende von jedem Brückenarm ist mit der positiven Leitung LH bzw. der negativen Leitung LL verbunden. Eine Batteriespannung ist durch eine nicht dargestellte Glättungsschaltung an die positive Leitung LH und negative Leitung LL angelegt.
Der Phasenstromwandler 62 berechnet digitale 3-Phasen-Ströme Iu, Iv und Iw aus analogen Phasensignalen iu und iv, welche von den Stromsensoren 4 und 5 erfaßt werden, und gibt sie dem 3/2-Phasen-Wandler 34 aus. Das von dem Rotorpositionssensor 2 ausgegebene analoge Rotorpositionssignal wird von dem Winkelwandler 61 in ein digitales Winkelsignal θ umgewandelt, welches dem 2/3-Phasen- Wandler 33 und dem 3/2-Phasen-Wandler 34 zugeführt wird. Der Motorcontroller 3 steuert in Bezug auf PWM den bürstenlosen 3-Phasen-Motor 1 auf der Grundlage der 3-Phasen-Ströme Iu, Iv und Iw, des digitalen Rotorpositionssignals A und des von außen eingegebenen Drehmomentbefehls.
Der 3/2-Phasen-Wandler 34 wandelt die 3-Phasen-Ströme Iu, Iv und Iw in einen mittleren q-Achsen-Strom miq und einen mittleren d-Achsen-Strom mid auf der Grundlage des von dem Winkelwandler 61 ausgegebenen Winkelsignals θ um. Der Drehmoment/Strom-Wandler 39 wandelt den von außen zugeführten Drehmomentbefehl in einen Soll-q-Achsen-Strom iq um. Der Subtrahierer 38 berechnet die Differenz Δiq des Soll-q-Achsen-Stroms iq abzüglich des mittleren q- Achsen-Stroms miq. Die Differenz Δiq wird von dem PI-Controller (PIC) 36 PI-gewandelt und wird dem 2/3-Phasenwandler 33 ausgegeben. Der Subtrahierer 37 berechnet die Differenz Δid des Soll-d-Achsen-Stroms id abzüglich des mittleren d-Achsen-Stroms mid. Die Differenz Δid wird von dem PI-Controller (PIC) 35 PI-umgewandelt und wird dem 2/3-Phasen-Wandler 33 ausgegeben. Der 2/3-Phasen-Wandler 33 führt eine 2/3-Phasen-Umwandlung auf eine PI-umgewandelte Version von Δiq und eine PI-umgewandelte Version von Δid durch, um Soll-3-Phasen-Spannungen Vu, Vv und Vw zu erlangen, welche dem PWM-Signalwandler 32 zugeführt werden, der wiederum PWM-Signale PWMU, PWMV und PWMW bezüglich Pulstaktfaktoren (pulse duty factors) erzeugt, welche den Soll-3-Phasen-Spannungen Vu, Vv bzw. Vw entsprechen. Die PWM-Signale werden den Gateanschlüssen der Leistungsschalter 311 bis 316 der Motoransteuerung 31 zugeführt, welche die 3-Phasen-AC-Spannungen Vu, Vv und Vw den jeweiligen Wicklungen der U-Phase 11, der V-Phase 12und der W-Phase 13 des bürstenlosen 3-Phasen-Motors 1 ausgibt.
Die PWM-Signale PWMU, PWMV und PWMW enthalten jeweils ein Paar von PWMW-Signalen, deren Vorzeichen zueinander entgegengesetzt sind: d. h. die oberen und unteren Signale PWMU (oder die Gatespannungen), die oberen und unteren Signale PWMV und die oberen und unteren Signale PWMW. Die oberen und unteren Signale PWMU werden dem Gate des oberen U-Phasen-Schalters 311 und dem Gate des unteren Schalters 312, die oberen und unteren Signale PWMV werden dem Gate des oberen V-Phasen-Schalters 313 und dem Gate des unteren Schalters 314 und die oberen und unteren Signale PWMW werden dem Gate des oberen W-Phasen-Schalters 315 und dem Gate des unteren Schalters 316 jeweils übertragen.
Das oben beschriebene PwM-gesteuerte Ansteuerungsverfahren des bürstenlosen 3-Phasen-Motors selbst und andere verschiedene Änderungen sind wohlbekannt, und es wird daher eine detaillierte Beschreibung weggelassen.
Wie oben beschrieben wird der Motorschutzabschnitt 63 vorzugsweise als Kombination einer nicht dargestellten CPU und der Software realisiert. Entsprechend Fig. 3 wird der Betrieb des Motorschutzabschnitts 63, welches ein Merkmal der Erfindung ist, im folgenden beschrieben. Entsprechend Fig. 3 wird im Schritt 100 der Wert des q-Achsen-Stroms iq gelesen. Im Schritt 102 wird ein Stromwert der durch die Motorwicklungen 11, 12 und 13 erzeugten Wärmemenge durch Multiplizieren des Quadrats des gelesenen Werts des q-Achsen-Stroms iq mit einem Widerstandswert r der Wicklungen 11, 12 und 13 des Motors 1 gefunden, welcher in dem nicht dargestellten ROM gespeichert ist. Im Schritt 104 wird eine geschätzte Temperatur T der wicklungen durch Ersetzen eines in dem nicht dargestellten ROM gespeicherten Berechnungsausdrucks mit früheren in dem nicht dargestellten ROM gespeicherten Wärmemengen berechnet und die Daten der berechneten Temperatur T den . gespeicherten früheren Wärmemengen für eine folgende Verwendung hinzugefügt. Im Entscheidungsschritt 106 wird ein Test durchgeführt, um zu sehen, ob die berechnete Temperatur T einen in dem nicht dargestellten ROM gespeicherten vorbestimmten Schwellenwert Tth überschreitet. Wenn dem nicht so ist, wird bestimmt, daß der Motor 1 sich nicht in einem Zustand der Überhitzung befindet, und die Steuerung kehrt zu dem Schritt 100 zurück.
Wenn die berechnete Temperatur T einen vorbestimmten Schwellenwert Tth in dem Schritt 106 überschreitet, wird auf der Grundlage der Bestimmung, daß sich der Motor 1 in einem Zustand der Überhitzung befindet, in einem Schritt 108 der zulässige maximale q-Achsen-Strom iqmax entweder aus einer iqmax-Tabelle, welche aus einem in Fig. 4 dargestellten und in dem nicht dargestellten ROM gespeicherten Graphen erlangt wird, oder aus einer Funktion gefunden, welche den Graphen von Fig. 4 definiert und in dem nicht dargestellten ROM gespeichert ist. Fig. 4 stellt eine Beziehung zwischen der berechneten Temperatur T und einem zulässigen maximalen Wert des q-Achsen-Stroms iq dar. Entsprechend Fig. 4 zeigt die Abszisse die Differenz ΔT infolge einer Substraktion des Schwellenwerts Tth von der berechneten Temperatur T: d. h. AT = T - Tth, an, und die Ordinate zeigt den zulässigen maximalen Wert iqmax an. Je mehr die Temperatur T der Wicklungen den Schwellenwert Tth überschreitet, desto schneller verringert sich der zulässige maximale Wert iqmax.
Im Entscheidungsschritt 110 erfolgt ein Test, um zu sehen, ob der augenblickliche q-Achsen-Strom iq größer als der zulässige maximale q-Achsen-Strom iqmax ist. Wenn dem so ist, wird im Schritt 112 der q-Achsen-Strom iq auf oder unter den zulässigen maximalen q-Achsen-Strom iqmax begrenzt. In diesem Fall kann im Schritt 112 ein Alarmsignal in Form einer Licht-, einer Ton-, einer Nachrichtenanzeige, usw. oder einer Kombination davon erzeugt werden. Andernfalls kehrt die Steuerung zu dem Schritt 100 zurück.
Auf diese Weise kann der Umfang von Datenberechnungen bei der Steuerung des Schutzes eines bürstenlosen 3-Phasen-Motors (1 in diesem bestimmten Beispiel) und/oder eines 3-Phasen-Inverters (31 in diesem bestimmten Beispiel) stark verringert werden. Somit ermöglicht die Erfindung eine Verbesserung der Sicherheit eines Motorsystems, während eine Vereinfachung und eine Kostenverringerung des Motorcontrollers (3 in diesem bestimmten Beispiel) eines Motorsystems erzielt wird.
Bei der oben beschriebenen Ausführungsform wurde das Produkt des Quadrats des q-Achsen-Stroms iq und des gespeicherten Widerstandswerts r der Motorwicklungen entsprechend dem Kupferverlust oder einem ohmschen Verlust angenommen. Jedoch kann der Kupferverlust berechnet werden durch Multiplizieren des Wicklungswiderstands r mit der Quadratwurzel der Summe des Quadrats des q-Achsen- Stroms iq und des Quadrats des d-Achsen-Stroms id. Durch Erhöhen der Berechnungslast wird ein genauerer Wert des Kupferverlusts erzielt.
Viele stark sich unterscheidende Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können ohne vom Rahmen der vorliegenden Erfindung abzuweichen, konstruiert werden. Es versteht sich, daß die vorliegende Erfindung nicht auf in der Beschreibung beschriebene bestimmte Ausführungsformen außer in den Ansprüchen definiert beschränkt ist.

Claims

1. 3-Phasen-Wechselstrommotorcontroller mit:
einer Einrichtung zum Messen von Ansteuerungsströmen, welche in drei Wicklungen eines Motors fließen; einer Einrichtung für eine 3/2-Phasen-Umwandlung der Ansteuerungsströme in einen q-Achsen-Strom und einen d- Achsen-Strom;
einer Einrichtung zum Erzeugen von 3-Phasen-Pulsbreitenmodulationssignalen auf der Grundlage des q-Achsenstroms, des d-Achsen-Stroms und eines Werts, welcher durch einen von außen eingegebenen Drehmomentbefehl bestimmt wird; und
einer Schutzeinrichtung zum Schützen des 3-Phasen- Wechselstrommotorcontrollers und/oder des Motors auf der Grundlage der Größe eines Kupferverlusts, welche entweder aus dem q-Achsen-Strom und/oder dem d-Achsen-Strom berechnet wird.

2. 3-Phasen-Wechselstrommotorcontroller nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzeinrichtung: eine Einrichtung enthält, welche im Ansprechen auf Bestimmungen, daß die Kupferverlustgröße größer als ein vorbestimmter Schwellenwert ist, den Wert auf einen vorbestimmten Grenzwert beschränkt, der in einem nichtflüchtigen Speicher gespeichert ist.

3. 3-Phasen-Wechselstrommotorcontroller nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der vorbestimmte Grenzwert ein maximaler Wert ist, der für die Kupferverlustgröße zugelassen ist.

4. 3-Phasen-Wechselstrommotorcontroller nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzeinrichtung: eine Einrichtung enthält, welche die Kupferverlustgröße lediglich aus dem q-Achsen-Strom oder dem d-Achsen- Strom berechnet.

5. 3-Phasen-Wechselstrommotorcontroller nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Begrenzen des Werts: eine Einrichtung zum Ausgeben eines Alarmsignals enthält.