DE112007000833T5

DE112007000833T5 - Eine Schaltung zur Verwendung der Vorzeichenwechsel einer Motorphase und der Gegen-EMK-Ströme einer Motorphase zur Steuerung von PWM

Info

Publication number: DE112007000833T5
Application number: DE112007000833T
Authority: DE
Inventors: Marco Palma; Massimo Grasso
Original assignee: International Rectifier Corp USA
Current assignee: Infineon Technologies Americas Corp
Priority date: 2006-04-03
Filing date: 2007-03-29
Publication date: 2009-02-19
Also published as: US20070285047A1; US7474069B2

Abstract

Schaltung zur Optimierung einer von einer Inverterschaltung zu einem Motor übertragenen Leistung, wobei die Schaltung ein Steuerverfahren zum Anlaufen des Motors und um ihn in eine Mindestgeschwindigkeit zu bringen, verwendet, und jede Phase des Motors Spannung von der Inverterschaltung erhält, wobei die Schaltung umfasst:
wenigstens eine Phasendetektorschaltung zum Abtasten des Vorzeichens eines Stroms/mehrerer Ströme, wobei das Vorzeichen des Stroms zur Feststellung eines Nulldurchgangs des Stroms verwendet wird;
einen Interpolator zum Empfangen einer Spannungsreferenz und zum Ausgeben einer Frequenzreferenz und einer Phasenverschiebungsreferenz, wobei die Phasenverschiebungsreferenz ein Unterschied zwischen einer erzwungenen Spannungsmodulation und dem einen Strom/den mehreren Strömen ist; und
eine Reglerschaltung zur Verwendung eines Fehlers zwischen der Phasenverschiebungsreferenz und dem Vorzeichen des einen Stroms/der mehreren Ströme zur Berechnung einer Phasenverschiebungskompensation,
wobei das Vorzeichen des einen Stroms/der mehreren Ströme bei ersten Vorzeichenwechselvorgängen als positiv festgestellt wird, wenn eine Sinuswelle des Stroms in einen positiven Bereich übergeht, und bei...

Description

QUERVERWEIS AUF EINE VERWANDTE ANMELDUNG
Die vorliegende Anmeldung basiert auf und beansprucht die Priorität der US-Provisional-Anmeldung Nr. 60/788,688, eingereicht am 3. April 2006, und der US-Patentanmeldung Nr. 11/692,395, eingereicht am 28. März 2007, deren gesamte Inhalte hier durch Bezugnahme aufgenommen werden.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Anmeldung betrifft die Steuerung von PWM, und insbesondere die Verwendung von Vorzeichenwechsel einer Motorphase und der Gegen-EMK-Ströme der Motorphase zur Steuerung von PWM.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein System und ein Verfahren zur Bestimmung des Vorzeichens eines Stroms, wenn eine Sinuswelle des Stroms Null kreuzt, zur Ver fügung zu stellen, und die Verwendung von Vorzeichenwechsel (Nulldurchgang) zum Feststellen einer Phasenverschiebung des Stroms gegenüber der erzwungenen Spannungsmodulation.
Eine Schaltung zur Optimierung der von einer Inverterschaltung zu einem Motor übertragenen Leistung, wobei die Schaltung ein Steuerverfahren zum Anlaufen des Motors und zum Erreichen einer Mindestgeschwindigkeit verwendet und wobei jede Phase des Motors Spannung von der Inverterschaltung erhält. Die Schaltung beinhaltet wenigstens eine Phasendetektorschaltung, die das Vorzeichen eines oder mehrerer Ströme abtastet, wobei das Vorzeichen des Stroms zur Feststellung eines Nulldurchgangs des Stroms verwendet wird; einen Interpolator zum Empfangen einer Spannungsreferenz und zum Ausgeben einer Frequenzreferenz und einer Phasenverschiebungsreferenz, wobei die Phasenverschiebungsreferenz ein Unterschied zwischen einer erzwungenen Spannungsmodulation und dem einen Strom/den mehreren Strömen ist; und eine Reglerschaltung zur Verwendung eines Fehlers zwischen der Phasenverschiebungsreferenz und dem Vorzeichen des einen Stroms/der mehreren Ströme zur Berechnung einer Phasenverschiebungskompensation, wobei das Vorzeichen des einen Stroms/der mehreren Ströme bei ersten Vorzeichenwechselvorgängen als positiv festgestellt wird, wenn eine Sinuswelle des Stroms in einen positiven Bereich übergeht, und als negativ festgestellt wird bei zweiten Vorzeichenwechselvorgängen, wenn eine Sinuswelle des Stroms in einen negativen Bereich übergeht, und wobei die ersten und zweiten Vorzeichenwechselvorgänge zur Feststellung einer Phasenverschiebung des Stroms gegenüber der erzwungenen Spannungsmodulation verwendet werden.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden durch die folgende Beschreibung der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungsfiguren deutlich.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGSFIGUREN
1 ist ein Diagramm einer Schaltung einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei welcher die von einer Inverterschaltung zu einem Motor übertragene Leistung unter Verwendung des Vorzeichens des Stroms der Motorphasen optimiert wird;
2 sind graphische Darstellungen einer Sinuswelle eines Phasenstroms, des Vorzeichens des Stroms im Verhältnis zu der Sinuswelle, des Vorzeichenwechsels des Stroms im Verhältnis zu der Sinuswelle und des Vorzeichenwechsels des Stroms im Verhältnis zu der erzwungenen Spannungsmodulation;
3 ist ein Diagramm, welches den Betrieb eines Interpolators von 1 zeigt;
4 ist ein Diagramm einer Schaltung einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei eine von einer Inverterschaltung zu einem Motor übertragene Leistung unter Verwendung des Vorzeichens der Gegen-EMK der Motorphase optimiert wird;
5 ist ein Diagramm einer Schaltung einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei eine von einer Inverterschaltung zu einem Motor übertragene Leistung unter Verwendung der Frequenz der aus dem Vorzeichen der Gegen-EMK der Motorphase extrahierten Gegen-EMK optimiert wird; und
6 zeigt den Verlauf der Verwendung des Nulldurchgangs der Gegen-EMK bei der Extraktion der Frequenz der Gegen-EMK.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
1 zeigt eine Schaltung 10 zur Optimierung einer von einer Inverterschaltung 11 zu einem Motor 16, welcher eine Last 15 hat, übertragenen Leistung. Die Inverterschaltung 11 beinhaltet eine Phasendetektorschaltung 12 zum Abtasten des Vorzeichens eines Stroms jeder Motorphase zur Steuerung des Motors 16, bei welchem es sich um einen bürstenlosen dauermagneterregten Motor handelt, welcher Spannungen V_A, V_B und V_C von der Inverterschaltung für jede Phase erhält.
Ein Spannungsreferenzbefehl 14 zum Starten des Motors 16 gelangt von außerhalb der Schaltung 10 zur Inverterschaltung 11. Das Anlaufen des Motors 16 erfolgt über eine Steuerschaltung 16, welche den Motor auf eine Mindestgeschwindigkeit bringt. Das Vorzeichen des Stroms der Motorphasen I_PHASE kann von der Phasendetektorschaltung 12 festgestellt werden.
Das Vorzeichen der Phasenströme wird zur Feststellung eines Nulldurchgangs des Stroms für jede Phase des Motors 16 verwendet. Wie in 2 dargestellt, wird der Phasenstrom in Graph A über den Zeitraum t analysiert zur Feststellung eines Übergangs der Sinuswelle von der positiven zur negativen Position und umgekehrt. In Graph B wird somit das Vorzeichen als positiv oder "high" (hoch) festgestellt, wenn der Strom in einem positiven Gebiet ist, und als negativ oder "low" (niedrig), wenn der Phasenstrom in einem negativen Gebiet ist. Die Vorzeichenwechselvorgänge oder Nulldurchgänge des Phasenstroms in Graph C werden dann zur Feststellung der Phasenverschiebung des Stroms gegenüber der erzwungenen Spannungsmodulation, wie in Graph D gezeigt, verwendet. Die Phasenverschiebung wird als ein Unterschied zwischen der erzwungenen Spannungsmodulation und der festgestellten Phase jedes Phasenstroms definiert.
Wie 1 zeigt, wird die Schleife mit Hilfe eines Interpolators 18, dessen Betrieb in 3 dargestellt ist, geschlossen. Der Interpolator 18 empfängt Spannung V und gibt Referenzen der Frequenz oder Geschwindigkeit ω und eine Phasenverschiebung φ zwischen der erzwungenen Spannungsmodulation und den festgestellten Phasenströmen bei der Regime- bzw. System- bzw. Ordnungsbedingung bei jedem Geschwindigkeitswert aus oder stellt diese zur Verfügung.
Die Geschwindigkeitsreferenz ω wird einem Schalter 19, welcher von dem Spannungsreferenzbefehl 14 gesteuert wird, durch einen Geschwindigkeitsbegrenzer 21 zu einem PWM-Modulator 20 geliefert. Die Phasenverschiebungsreferenz φ wird durch einen Schalter 17 zu einem Multiplizierer 15a und dann zu einer Reglerschaltung 22 geliefert. Die Reglerschaltung 22 verwendet einen Fehler zwischen einer gewünschten Phasenverschiebung, geliefert vom Interpolator 18, und einer gemessenen Phasenverschiebung geliefert von der Phasenverschiebungsschaltung 12 durch einen Multiplizierer 15b zum Ändern der Frequenz des Modulators 20.
4 zeigt eine Steuerschaltung 30 zur Optimierung der Leistung, welche von einer Inverterschaltung 31 zum Motor 16, welcher eine Last 15 hat, übertragen wird. Die Inverterschaltung 31 beinhaltet eine erste Phasendetektorschaltung 12 zum Abtasten des Vorzeichens eines Motorphasenstroms und eine zweite Phasendetektorschaltung 24 zum Abtasten des Vorzeichens der Gegen-EMK der Motorphase. Beide Schaltungen 12 und 24 dienen zur Steuerung des bürstenlosen dauermagneterregten Motors 16.
Eine variable DC-Spannung oder ein Referenzbefehl 14 wird von außerhalb der Schaltung 30 zum Anlaufen des Motors 16 geliefert. Ein Steuerverfahren dient zum Anlaufen des Motors 16 und bringt ihn auf eine Mindestgeschwindigkeit. Das Vorzeichen des Stroms der Motorphasen I_PHASE und das Vorzeichen der Gegen-EMK kann von der ersten und zweiten Phasendetektorschaltung 12 und 24 festgestellt werden.
Wie oben unter Bezugnahme auf 2 beschrieben, wird das Vorzeichen der Phasenströme zur Feststellung des Nulldurchgangs des Stroms für jede Phase verwendet. Das Vorzeichen der Phasen-Gegen-EMK wird zur Feststellung des Nulldurchgangs der Gegen-EMK für jede Phase verwendet. Das Vorzeichen der Phasen-Gegen-EMK wird unter Verwendung desselben Prinzips wie in 2 bestimmt.
Der Nulldurchgang der Phasenströme und der Nulldurchgang der Phasen-Gegen-EMK dienen dazu, eine Phasenverschiebung zwischen Phasenstrom und Gegen-EMK zu erhalten. Dasselbe Verfahren, das oben beschrieben wurde, wird verwendet, um beide Phasenverschiebungen zu erhalten. Die Phasenverschiebung wird definiert als ein Unterschied zwischen der festgestellten Phase jedes Stroms und der festgestellten Phase jeder Phasen-Gegen-EMK.
Eine anfängliche Frequenzreferenz für den Regelkreisbetrieb wird mit demselben Verfahren wie im Anlauf-Modus erzielt. Die Reglerschaltung 22 verwendet den Fehler zwischen einer gewünschten Phasenverschiebung, d. h. von einer internen Referenz des Phasenverschiebungsoffset kommend, und einer gemessenen Phasenverschiebung, d. h. von einer Phasendetektorschaltung 12 und 24 kommend, um die Frequenzreferenz des Modulators 20 zu ändern zur Anpassung an jeden Arbeitszustand im Regelkreis.
5 zeigt eine Steuerschaltung 40, welche die von einer Inverterschaltung 41 zum Motor 16, welche eine Last 15 hat, übertragene Leistung optimiert. Die Inverterschaltung 41 beinhaltet eine erste Phasendetektorschaltung 12 zum Abtasten des Vorzeichens eines Motorphasenstroms und eine zweite Phasendetektorschaltung 42 zum Abtasten des Vorzeichens der Gegen-EMK der Motorphase und zur Extraktion der Frequenz der Gegen-EMK aus dem Vorzeichen der der Gegen-EMK. Die Schaltungen 12 und 42 werden für die Steuerung des bürstenlosen dauermagneterregten Motors 16 verwendet.
Eine variable DC-Spannung oder ein Referenzbefehl 14 wird von außerhalb der Schaltung 40 zum Anlaufen des Motors 16 geliefert. Ein Steuerverfahren dient zum Anlaufen des Motors 16 und bringt ihn auf eine Mindestgeschwindigkeit. Das Vorzeichen des Stroms der Motorphasen I_PHASE, das Vorzeichen der Gegen-EMK und die Frequenz der aus dem Vorzeichen der Gegen-EMK extrahierten Gegen-EMK können von der ersten und zweiten Phasendetektorschaltung 12 und 42 festgestellt werden. Die extrahierte Frequenz der Gegen-EMK wird an den Modulator 20 durch den Schalter 19 und den Geschwindigkeitsbegrenzer 21 geliefert.
Wie oben beschrieben, wird das Vorzeichen der Phasenströme zur Feststellung des Nulldurchgangs des Stroms für jede Phase verwendet. Das Vorzeichen der Phasen-Gegen-EMK wird zur Feststellung des Nulldurchgangs der Gegen-EMK für jede Phase verwendet. Der Nulldurchgang der Phasenströme und der Nulldurchgang der Phasen-Gegen-EMK dienen dazu, die Phasenverschiebung zwischen Phasenstrom und Gegen-EMK zu erhalten. Die Phasenverschiebung wird definiert als ein Unterschied zwischen einer festgestellten Phase jedes Stroms und einer festgestellten Phase jeder Phasen-Gegen-EMK. Wie 6 zeigt, wird darüber hinaus der Nulldurchgang der Gegen-EMK zur Extraktion der Frequenz der Gegen-EMK verwendet. Die Frequenz der Gegen-EMK ist die Frequenz des Rotors.
In einem Regelkreis wird die Frequenzreferenz von der Phasendetektorschaltung 42, welche die Frequenz des festgestellten Nulldurchgangs der Gegen-EMK-Wechsel misst, erhalten. Ein Fehler zwischen einer gewünschten Phasenverschiebung, d. h. von einer internen Referenz des Phasenverschiebungsoffset kommend, und einer gemessenen Phasenverschiebung, d. h. von einer Phasendetektorschaltung kommend, wird verwendet, um die Frequenzreferenz des Modulators mit einer Reglerschaltung 22 zu ändern und sie für jede dynamische Änderung während des Arbeitszustands im Regelkreis anzupassen.
Die vorliegende Erfindung ist zwar unter Bezugnahme auf bestimmte Ausführungsformen beschrieben worden, jedoch sind viele andere Abwandlungen und Modifikationen für den Fachmann offensichtlich. Daher wird es bevorzugt, die vorliegende Erfindung nicht durch die spezifische hier enthaltene Offenbarung einzuschränken.
Zusammenfassung
Eine Schaltung zur Optimierung der von einer Inverterschaltung zu einem Motor übertragenen Leistung, wobei die Schaltung ein Steuerverfahren zum Anlaufen des Motors und um ihn auf eine Mindestgeschwindigkeit zu bringen verwendet, und jede Phase des Motors Spannung von der Inverterschaltung empfängt. Die Schaltung beinhaltet wenigstens eine Phasendetektorschaltung zum Abtasten des Vorzeichens eines Stroms/mehrerer Ströme, wobei das Vorzeichen für die Feststellung eines Nulldurchgangs des Stroms verwendet wird; einen Interpolator zum Empfangen einer Spannungsreferenz und zum Ausgeben einer Frequenzreferenz und einer Phasenverschiebungsreferenz, wobei die Phasenverschiebungsreferenz ein Unterschied zwischen einer erzwungenen Spannungsmodulation und dem einen Strom/den mehreren Strömen ist; und eine Reglerschaltung für die Verwendung eines Fehlers zwischen der Phasenverschiebungsreferenz und dem Vorzeichen des einen Stroms/der mehreren Ströme zur Berechnung einer Phasenverschiebungskompensation, wobei das Vorzeichen des einen Stroms/der mehreren Ströme als positiv bei ersten Vorzeichenwechselvorgängen festgestellt wird, wenn eine Sinuswelle des Stroms in einen positiven Bereich übergeht, und als negativ festgestellt wird bei zweiten Vorzeichenwechselvorgängen, wenn eine Sinuswelle des Stroms in einen negativen Bereich übergeht, wobei die ersten und zweiten Vorzeichenwechselvorgänge zur Feststellung einer Phasenverschiebung des Stroms gegenüber der erzwungenen Spannungsmodulation dienen.

Claims

Schaltung zur Optimierung einer von einer Inverterschaltung zu einem Motor übertragenen Leistung, wobei die Schaltung ein Steuerverfahren zum Anlaufen des Motors und um ihn in eine Mindestgeschwindigkeit zu bringen, verwendet, und jede Phase des Motors Spannung von der Inverterschaltung erhält, wobei die Schaltung umfasst: wenigstens eine Phasendetektorschaltung zum Abtasten des Vorzeichens eines Stroms/mehrerer Ströme, wobei das Vorzeichen des Stroms zur Feststellung eines Nulldurchgangs des Stroms verwendet wird; einen Interpolator zum Empfangen einer Spannungsreferenz und zum Ausgeben einer Frequenzreferenz und einer Phasenverschiebungsreferenz, wobei die Phasenverschiebungsreferenz ein Unterschied zwischen einer erzwungenen Spannungsmodulation und dem einen Strom/den mehreren Strömen ist; und eine Reglerschaltung zur Verwendung eines Fehlers zwischen der Phasenverschiebungsreferenz und dem Vorzeichen des einen Stroms/der mehreren Ströme zur Berechnung einer Phasenverschiebungskompensation, wobei das Vorzeichen des einen Stroms/der mehreren Ströme bei ersten Vorzeichenwechselvorgängen als positiv festgestellt wird, wenn eine Sinuswelle des Stroms in einen positiven Bereich übergeht, und bei zweiten Vorzeichenwechselvorgängen als negativ festgestellt wird, wenn eine Sinuswelle des Stroms in einen negativen Bereich übergeht, wobei die ersten und zweiten Vorzeichenwechselvorgänge zur Feststellung einer Phasenverschiebung des Stroms gegenüber der erzwungenen Spannungsmodulation verwendet werden.
Die Schaltung von Anspruch 1, weiter umfassend eine Schaltung zur Bestimmung eines Zeitfensters zur Messung des Vorzeichens des einen Stroms/der mehreren Ströme und wenigstens eine Mulipliziererschaltung.
Die Schaltung von Anspruch 1, wobei der eine Strom/die mehreren Ströme einen Strom jeder Phase des Motors umfasst/umfassen und die Phasenverschiebung ein Unterschied zwischen der jeder Phase des Motors auferlegten Spannungsmodulation und dem Strom jeder Phase des Motors ist.
Die Schaltung von Anspruch 2, wobei der eine Strom/die mehreren Ströme einen Strom der Gegen-EMK jeder Phase des Motors umfasst/umfassen und die Phasenverschiebung ein Unterschied zwischen dem Strom jeder Phase des Motors und dem Strom der Gegen-EMK jeder Phase des Motors ist.
Die Schaltung von Anspruch 4, wobei die wenigstens eine, den Strom der Gegen-EMK abtastende Phasendetektorschaltung weiterhin eine Frequenz des Stroms der Gegen-EMK aus dem Vorzeichen des Stroms der Gegen-EMK extrahiert, wobei die Frequenz der Gegen-EMK die Frequenz eines Rotors des Motors ist.
Die Schaltung von Anspruch 5, wobei die Frequenz des Stroms der Gegen-EMK erzielt wird, indem die ersten und zweiten Vorzeichenwechselvorgänge gezählt werden, um eine erste Zählung zu erhalten, und diese erste Zählung zu invertieren.
Die Schaltung von Anspruch 1, wobei die Frequenz- und Phasenverschiebungsreferenzen bei der Systembedingung bei jedem Geschwindigkeitswert des Motors verwendet werden.
Die Schaltung von Anspruch 1, wobei der Motor ein bürstenloser dauermagneterregter Motor ist.
Die Schaltung von Anspruch 1, weiter umfassend: eine externe Quelle zum Liefern einen Spannungsreferenz für das Starten des Motors; eine lineare Relationsschaltung und einen Geschwindigkeitsbegrenzer zum Empfangen der Spannungsreferenz und zum Liefern einer normativen Frequenz; eine Schaltung zum Liefern eines Kompensationssignals durch Kombination der normativen Frequenz und der Phasenverschiebungskompensation; eine PWM-Modulatorschaltung zum Empfangen des Kompensationssignals und zum Ändern der Frequenz der Spannungsmodulation zur Anpassung dieser Frequenz für jeden Arbeitszustand in einem Regelkreis.
Die Schaltung von Anspruch 9, weiter umfassend einen ersten Schalter, welcher zwischen der linearen Relationsschaltung und dem Geschwindigkeitsbegrenzer geschaltet ist.