DE19715943A1 - Verfahren zum Schutzbetrieb für einen geschalteten elektrischen Reluktanzmotor - Google Patents
Verfahren zum Schutzbetrieb für einen geschalteten elektrischen ReluktanzmotorInfo
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- Control Of Electric Motors In General (AREA)
Description
Die Erfindung befaßt sich allgemein mit einem System zum Steuern
eines geschalteten Reluktanzmotors (SR), und insbesondere befaßt
sich die Erfindung mit einem Verfahren, welches einen Betriebs
schutz für einen elektrischen SR-Motor unter Einsatz eines Boot
strap-Treiberschaltung bietet.
Geschaltete Reluktanzmaschinen (SRM) sind zunehmend in das Ent
wicklungsinteresse aufgrund ihrer Vielzahl von Vorteilen gekom
men, aufgrund deren diese Maschinen in geeigneter Weise auf
unterschiedlichen Anwendungsgebieten einsetzbar sind. Eine
SR-Maschine arbeitet auf der Basis einer sich ändernden Reluktanz
bei einer Mehrzahl von Magnetkreisen. Insbesondere sind die Ma
schinen im allgemeinen derart ausgelegt, daß sie von Motoren
gebildet werden, welche vorstehende Gebilde in beiden Richtungen
haben, das heißt, sie haben Zähne oder Pole sowohl am Stator als
auch am Rotor. Die Statorpole haben Wicklungen, welche Maschi
nenphasen des Motors bilden. Bei einer üblichen Ausgestaltungs
form sind die Statorwicklungen auf diametral gegenüberliegenden
Polen zur Bildung einer Maschinenphase in Serie geschaltet.
Wenn eine Maschinenphase erregt wird, wird das nächstliegende
Rotorpolpaar in Richtung zu dem Statorpolpaar angezogen, welches
die erregte Statorwicklung hat, wodurch die Reluktanz des magne
tischen Flusses minimiert wird. Wenn aufeinanderfolgende Stator
wicklungen (das heißt Maschinenphasen) in Aufeinanderfolge auf
eine zyklische Weise erregt werden, kann ein Drehmoment aufge
baut werden, und somit kann eine Drehbewegung des Rotors entwe
der in Uhrzeigerrichtung oder in Gegenuhrzeigerrichtung bewirkt
werden. Ferner ändert sich die Induktanz in einer dem Statorpol
paar zugeordneten Statorwicklung in Abhängigkeit von einer Ro
torposition. Insbesondere ändert sich die Induktanz von einem
niedrigen Wert, welchen man dann erhält, wenn ein Rotorpol zu
einem zugeordneten Statorpol nicht ausgerichtet ist, zu einem
höheren oder maximalen Wert, wenn der Rotorpol und der Statorpol
ausgerichtet sind. Wenn daher ein Rotorpol eine Drehbewegung
ausführt und an einem Statorpol vorbeistreicht, ändert sich die
Induktanz der Statorwicklung von niedrigen zu hohen und wiederum
zu niedrigen Induktanzwerten. Diese charakteristische Abhängig
keit von der Induktanz bezogen auf die Rotorposition ist ins
besondere bei einem gesteuerten Betrieb des Motors wesentlich.
Insbesondere muß der durch die Statorwicklung fließende Strom
eingeschaltet (beispielsweise bei Leistungselektronik) vor (das
heißt vorauseilend) eingeschaltet und während der ansteigenden
Induktanzperiode aufrechterhalten werden, um ein positives Dreh
moment aufzubauen. Da der positive Phasenstrom im abnehmenden
Induktanzintervall ein negatives Drehmoment oder ein Bremsmoment
erzeugt, muß der Phasenstrom abgeschaltet werden (beispielsweise
durch Abschaltung der Leistungselektronik) bevor dieses Inter
vall auftritt, um die Erzeugung eines negativen Drehmoments zu
verhindern. Folglich ist die Rotorpositionserfassung ein inte
graler Teil eines Regel-Treibersystems für einen geschalteten
Reluktanzmotor, um die Drehmomenterzeugung in geeigneter Weise
zu steuern.
Ferner kann bei einem Antriebssystem mit einem geschalteten
Reluktanzmotor die Steuerelektronik (das heißt die Halbleiter
schalter zur Erregung der Statorwicklungen) möglicherweise bei
einer übermäßigen Belastung auf der Abtriebsseite des Motors
über einen längeren Zeitraum hinweg versagen. Daher besteht ein
Bedürfnis nach einem Schutz für die Steuerelektronik für solche
Fälle, bei denen eine übermäßige Belastung über einen längeren
Zeitraum hinweg auftritt, was häufig unerwartet auftreten kann
(beispielsweise bei einer Pumpe, welche mit dem Abtrieb des
Motors verbunden ist, und die sich festfrißt, so daß der Motor
stillgesetzt wird). Im Hinblick auf diese Schwierigkeit wurde
bei einer typischen Auslegungsform ein Schutz vorgeschlagen, bei
dem der Strom in der Maschinenphase überwacht wird und der Mo
torantrieb abgeschaltet wird (das heißt, die Leistungselektronik
abgeschaltet wird), wenn ein übergroßer Strom während eines
längeren Zeitraums durchgeht. Obgleich man hierdurch einen Über
laststromschutz im allgemeinen erhält, sind die hierfür zu tref
fenden Maßnahmen kompliziert und bei der Verwirklichung mit
hohen Kosten verbunden (das heißt es sind zusätzliche Komponen
ten erforderlich), und ferner können hierbei leicht Fehlabschal
tungen auftreten.
Daher besteht ein Bedürfnis nach einem verbesserten System zum
Steuern einer geschalteten Reluktanzmaschine, bei dem eines oder
mehrere der voranstehend genannten Probleme abgeschwächt oder
eliminiert werden.
Die Erfindung stellt ein verbessertes Motortreiberschutzverfah
ren bereit, welches insbesondere zur Anwendung bei einer Motor
treibertopologie geeignet ist, wobei ein sogenannter hochspan
nungsseitiger Halbleiterschalter eingesetzt wird, um eine der
Mehrzahl von Maschinenphasen des geschalteten Reluktanzmotors zu
erregen. Ein hochspannungsseitiger Schalter ist ein Schalter,
welcher mit der Hochspannungsschiene über einen Drainanschluß
des Schalters verbunden ist, wobei ein Sourceanschluß des Schal
ters mit der Statorwicklung verbunden ist. Bei einer bevorzugten
Ausführungsform ist auch ein niederspannungsseitiger Halbleiter
schalter vorgesehen, um selektiv die Statorwicklung an einem
Ende, welches dem mit der Source des hochspannungsseitigen
Schalters verbundenen Ende gegenüberliegt, mit einem negativen
Versorgungsbus (beispielsweise Masse) zu verbinden. Das erfin
dungsgemäße Verfahren ist ferner anwendbar, wenn eine Energie
versorgung der flexiblen Bootstrap-Bauart zum Treiben des hoch
spannungsseitigen Halbleiterschalters zum Einsatz kommt.
Das Verfahren umfaßt vier Hauptschritte. Der erste Schritt um
faßt wie vorstehend angedeutet das Vorsehen einer Bootstrap-
Treiberschaltung, welche selektiv bewirkt, daß ein hochspan
nungsseitiger Halbleiterschalter leitend wird, um eine der zu
geordneten Maschinenphasen des Motors zu erregen. Der zweite
Schritt befaßt sich mit dem Bestimmen einer Rotorgeschwindigkeit
bzw. Rotordrehzahl, welche eine tatsächliche Drehzahl des Rotors
wiedergibt. Der dritte Schritt umfaßt im Grundzustand das Kom
mutieren der Maschinenphasen der geschalteten Reluktanzmaschine
unter Einsatz der Bootstrap-Treiberschaltung, wenn die Rotor
drehzahl größer als ein vorbestimmter Wert ist. Schließlich wird
die Erregung der Maschinenphasen durch eine Änderung einer Trei
bercharakteristik der Bootstrap-Treiberschaltung abgeschaltet,
wenn die Rotordrehzahl niedriger als der vorbestimmte Wert ist
(welcher einen abnormalen Betriebszustand wiedergibt), um hier
durch einen elektrischen Überlaststromschutz für den geschalte
ten Reluktanzmotor bereitzustellen. Die Erfindung beruht auf dem
Prinzip, daß der Bootstrap-Motortreiber desaktiviert wird, oder
innerhalb von einigen 100 Millisekunden entladen wird, nachdem
festgestellt worden ist (das heißt dadurch, daß der Empfang von
Impulsen ausgefallen ist, welche für die Rotordrehbewegung kenn
zeichnenden sind), daß der Motor aufgehört hat sich zu drehen
(das heißt infolge einer unerwartet hohen Last, welche bei
spielsweise dann auftritt, wenn sich eine Pumpe festfrißt). Ein
Vorteil bei der erfindungsgemäßen Auslegung ist darin zu sehen,
daß der Schutz für die Leistungselektronik (beispielsweise die
Halbleiterschalter) bereitgestellt werden kann, ohne daß die
Notwendigkeit von zusätzlichen komplizierten Schaltungen be
steht. Ferner kann der Motortreiber nach einer Überlastabschal
tung wieder aktiviert werden. Wenn die zu starke Belastung auf
gehört hat, auf den Motor einzuwirken, kann der Rotor des Motors
wiederum eine Grunddrehbewegung ausführen, wodurch der Motor
treiber des Bootstrap-Typs wiederum aufgeladen wird, so daß der
hochspannungsseitige Schalter leitend wird, um hierdurch die
Statorwicklungen wiederum zu erregen.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung erge
ben sich aus der nachstehenden Beschreibung von bevorzugten
Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung.
Darin zeigt:
Fig. 1 eine perspektivische auseinandergezogene Darstellung
eines Teils eines elektrischen, geschalteten Reluk
tanzmotors, welcher in Verbindung mit einer bevorzug
ten Ausführungsform nach der Erfindung erläutert wird,
Fig. 2 eine schematische vergrößerte Querschnittsansicht
eines elektrischen, geschalteten Reluktanzmotors zur
Verdeutlichung der relativen Position von Abschnitten
eines Stators und eines Rotors,
Fig. 3 ein vereinfachtes, schematisches Blockschaltbild einer
bevorzugten Ausführungsform eines Bootstrap-Motortrei
bers zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfin
dung,
Fig. 4A ein vereinfachtes Diagramm zur Verdeutlichung der
hochspannungsseitigen Eingangsspannung über der Zeit
erzeugt durch die Steuereinrichtung nach Fig. 3
während des Normalbetriebs des Motors, welcher in
Fig. 1 dargestellt ist,
Fig. 4B ein vereinfachtes Diagramm der hochspannungsseitigen
Eingangsspannung über der Zeit erzeugt durch die Steu
ereinrichtung nach Fig. 3, wenn der Motor nach Fig.
1 sich in einem "Stillstand"-Zustand befindet,
Fig. 4C ein Diagramm einer niederspannungsseitigen Eingangs
spannung über der Zeit erzeugt durch die Steuerein
richtung nach Fig. 3, wenn der in Fig. 1 gezeigte
Motor in einem Grundbetrieb arbeitet,
Fig. 5 ein vereinfachtes schematisches Blockdiagramm zur
Verdeutlichung einer Rotordrehzahl-Sensorschaltung,
welche beim erfindungsgemäßen Verfahren zum Einsatz
kommt,
Fig. 6 ein vereinfachtes Diagramm von Rotordrehzahlen über
der Spannung des Drehzahlsignals VA, welches durch die
in Fig. 5 gezeigte Drehzahlsignal-Erzeugungsschaltung
erzeugt wird,
Fig. 7 ein vereinfachtes Diagramm der Rotordrehzahlen über
der Spannung des Drehzahlsignals VB, welches durch die
in Fig. 5 gezeigte Drehzahlsignal-Erzeugungsschaltung
erzeugt wird,
Fig. 8 ein Diagramm eines Phasenstroms über der Zeit zur
Verdeutlichung eines Beispiels eines Phasenstroms,
wenn der in Fig. 1 gezeigte Motor im Normalbetrieb
arbeitet,
Fig. 9 ein vereinfachtes Diagramm von Phasenstrom über der
Zeit von dem Phasenstrom durch eine Statorwicklung,
wenn das Verfahren nach der Erfindung zum Einsatz
kommt, um einen Stillstandszustand zu erfassen und
hierdurch den Phasenstrom zu begrenzen, und
Fig. 10 ein Flußdiagramm der Erfindung zum Treiberschutz.
Unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung, in welcher glei
che oder ähnliche Teile mit denselben Bezugszeichen versehen
sind, zeigt Fig. 1 die Hauptkomponenten eines elektrischen,
geschalteten Reluktanzmotors (SR) 10, welcher eine Statoranord
nung 12 und eine Rotoranordnung 14 umfaßt.
Obgleich die Erfindung nachstehend im Zusammenhang mit einem
elektrischen, geschalteten Reluktanzmotor 10 näher beschrieben
und erläutert wird, kann die Erfindung natürlich auch in Ver
bindung mit anderen an sich bekannten elektrischen Motorkon
struktionen zur Anwendung kommen. Die Statoranordnung 12 weist
bei einer bevorzugten Ausführungsform eine Mehrzahl von Lamina
ten 16 auf. Die Laminate werden von einem magnetisch permeablen
Material, wie Eisen, gebildet.
Der Stator 12 ist im allgemeinen hohl und zylindrisch ausgebil
det. Eine Mehrzahl von radial nach innen verlaufenden Polen 18
ist auf dem Stator 12 (mittels den Laminaten 16) ausgebildet und
diese erstrecken sich über die gesamte Längserstreckung dessel
ben hinweg. Die Pole 18 sind in bevorzugter Weise paarweise
diametral gegenüberliegend vorgesehen. Bei der dargestellten
bevorzugten Ausführungsform umfaßt jeder der sechs Pole 18 ein
zugeordnetes Paar von Zähnen 19 von einer Gesamtanzahl von zwölf
Zähnen. Es sollte jedoch erwähnt werden, daß eine größere oder
eine kleinere Anzahl von Polen 18 bei den jeweiligen speziellen
Auslegungsformen vorgesehen sein kann.
Jeder Pol 18 kann eine im allgemeinen rechteckförmige Gestalt im
Querschnitt haben. Die radial am weitesten innenliegenden Flä
chen der Pole 18 sind geringfügig gekrümmt, so daß sie eine
Bohrung 20 mit einem Innendurchmesser bilden. Die Bohrung 20 ist
hinsichtlich ihren Abmessungen derart ausgelegt, daß die Rotor
anordnung 14 aufgenommen werden kann.
Wenn die Rotoranordnung 14 in den Stator 12 (siehe Fig. 2)
eingesetzt ist, ist diese koaxial in dem Stator 12 zur Ausfüh
rung einer relativen Drehbewegung mit Hilfe von üblichen Ein
richtungen gelagert. Nur zu Erläuterungszwecken und nicht zur
Beschränkung kann die Rotoranordnung 14 mit Hilfe von üblichen
Lagern (nicht dargestellt) gelagert sein, welche in üblichen
Wickelkopfkappen (nicht gezeigt) angebracht sein können, welche
fest mit den Längsenden der Statoranordnung 12 verbunden sind.
Die Rotoranordnung 14 umfaßt eine im allgemeinen zylindrische
Welle 22 und einen Rotor 24. Die Welle 22 kann hohl ausgebildet
sein, obgleich sie in Fig. 1 als massives Teil dargestellt ist.
Der Rotor 24 ist fest mit der Welle 22 zur Ausführung einer
Drehbewegung mit derselben verbunden. Der Rotor 24 kann bei
spielsweise fest mit der Welle 22 mit Hilfe einer Keilverbindung
(nicht gezeigt) oder anderen üblichen Einrichtungen verbunden
sein, welche an sich auf diesem Gebiet bekannt sind. Es sollte
noch erwähnt werden, daß die Welle 22 und der Rotor 24 als eine
Einheit zusammen eine Drehbewegung ausführen.
Der Rotor 24 umfaßt eine Mehrzahl von Polen 26, welche auf einer
äußeren Fläche hiervon ausgebildet sind. Jeder Pol 26 erstreckt
sich von der äußeren Fläche radial nach außen und ist derart
ausgebildet, daß er eine im allgemeinen rechteckförmige Gestalt
im Querschnitt hat. Die Rotorpole 26 verlaufen in Längsrichtung
über die gesamte Längserstreckung der äußeren Fläche des Rotors
24 hinweg. Die radial am weitesten außen liegenden Flächen der
Rotorpole 26 sind derart gekrümmt, daß ein Außendurchmesser
gebildet wird, welcher hinsichtlich seinen Abmessungen derart
beschaffen ist, daß er in der durch den Innendurchmesser gebil
deten Bohrung 20 aufgenommen werden kann. Somit ist der von den
Polen 26 gebildete Außendurchmesser geringfügig kleiner als der
Innendurchmesser, welcher von den radial am weitesten innen
liegenden gekrümmten Flächen der Statorpole 18 gebildet wird.
Die Rotorpole 26 können auch in diametral gegenüberliegenden
Paaren vorgesehen sein. Vierzehn (14) Rotorpole 26 sind bei der
dargestellten Rotoranordnung 14 vorgesehen. Jedoch kann eine
größere oder eine kleinere Anzahl von Rotorpolen 26 vorgesehen
sein. Bei SR-Motoren ist im allgemeinen die Anzahl der Rotorpole
26 im Vergleich zu der Anzahl der Statorpole 28 wie an sich
bekannt unterschiedlich. Der Rotor 24 einschließlich den Polen
26 kann von einem magnetisch permeablen Material, wie Eisen,
gebildet werden.
Unter Bezugnahme auf Fig. 2 ist in einer schematischen Ansicht
ein zusammengesetzter Motor 10 verdeutlicht. Wie insbesondere
vorstehend ausgeführt ist, sind die Pole 18 paarweise angeordnet
vorgesehen: d. h. A A′, B B′ und C C′. Die Rotorpole 26 sind
auch paarweise vorgesehen. Statorwicklungen 28 (aus Übersicht
lichkeitsgründen ist nur eine für ein Statorpolpaar A A′ ver
deutlicht) der diametral gegenüberliegenden Pole (beispielsweise
A A′), welche dem Stator 12 zugeordnet sind, sind zur Bildung
einer Maschinenphasenreihe geschaltet. Somit werden die Wick
lungen 28 auf den Polen A A′ als "Maschinenphase A" des
SR-Motors 10 bezeichnet.
Bei dem dargestellten Beispiel hat der SR-Motor 10 auch eine
Maschinenphase B und eine Maschinenphase C. Jede dieser drei
Maschinenphasen kann einzeln erregt werden, was bei einer ge
steuerten Erregung dazu führen kann, daß der Rotor 24 eine Dreh
bewegung ausführt. Obgleich drei Maschinenphasen beschrieben und
verdeutlicht sind, kann natürlich auch eine Maschine vorgesehen
werden, welche eine beliebige Anzahl von Phasen hat, und auch
derartige Maschinen werden vom Schutzumfang der Erfindung er
faßt.
Unter Bezugnahme auf Fig. 3 sind nähere Einzelheiten zur Erläu
terung des Verfahrens verdeutlicht, welches nach der Erfindung
zum Einsatz kommt. Insbesondere zeigt die in Fig. 3 gezeigte
Schaltung einen Leistungs-Halbleiterschalter, welcher auf an
sich bekannte Weise an einer hochspannungsseitigen Konfiguration
gezeigt ist. Obgleich der Fachmann viele Gründe kennt, warum
eine solche Auslegung eingesetzt werden sollte, (was nachstehend
noch näher erläutert wird) stehen viele Auslegungshindernisse
einer solchen hochspannungsseitigen Konfiguration entgegen. Die
Gate-Spannung, welche an dem hochspannungsseitigen Halbleiter
schalter QU anliegt, sollte in typischerweise 10-15 Volt höher
als die Drainspannung liegen. In diesem Zusammenhang ergibt sich
eine Schwierigkeit, daß bei einer hochspannungsseitigen Ausle
gungsform die Gate-Spannung höher als die positive Versorgungs
spannung (VCC) werden müßte, bei der es sich häufig um die in
einem System verfügbare höchste Spannung handelt. Daher müssen
Maßnahmen getroffen werden, um den erforderlichen Gate-Treiber
zu bilden. Bei der dargestellten, bevorzugten Ausführungsform
wird eine Bootstrap-Energieversorgung eingesetzt, welche eine
Einrichtung darstellt, mit der sich das Verfahren nach der Er
findung durchführen läßt.
Fig. 3 zeigt somit eine Schaltung 29, welche die erforderliche
Gate-Treiberfunktion bereitstellt und somit eine Durchführung
des Verfahrens nach der Erfindung gestattet. Die Schaltung 29
umfaßt eine Steuereinrichtung 30 und eine Bootstrap-Treiber
schaltung 32.
Die Steuereinrichtung 30 spricht auf ein Rotordrehzahlsignal VB
an, dessen Größe bei einer bevorzugten Ausführungsform umgekehrt
proportional zu einer tatsächlichen Drehzahl des Rotors 24 ist.
Basierend auf einem Drehzahlsignal VB und nach Maßgabe eines vor
bestimmten Betriebsablaufes, welcher ohne Beschränkung umfassen
kann, daß gewisse Maschinenphasen basierend auf der Rotorposi
tion des Rotors 24 erregt werden, wie dies an sich bekannt ist,
wird die Steuereinrichtung 30 eingesetzt, um ein hochspannungs
seitiges Schalttreiberbefehlserregungssignal Uin zu erzeugen
sowie ein niederspannungsseitiges Schalttreiberbefehlserregungs
signal Lin.
Die Bootstrap-Treiberschaltung 32 wird eingesetzt, um ein ver
stärktes Gate-Treibersignal bereitzustellen, und sie umfaßt eine
Gate-Treiberintegrierungsschaltung 34, einen Bootstrap-Kondensa
tor CB, eine erste Diode D₁, einen ersten Kondensator C₁, einen
hochspannungsseitigen Halbleiterschalter QU, einen niederspan
nungsseitigen Halbleiterschalter QL, einen ersten Widerstand R₁,
eine zweite Diode D₂, eine dritte Diode D₃ und einen Verknüp
fungspunkt 35.
Die Gate-Treiberintegrierungsschaltung 34 ist vorgesehen, um den
Großteil der nachstehend noch näher beschriebenen Funktionen
bereitzustellen, welche erforderlich sind, um einen hochspan
nungsseitigen Halbleiterschalter QU und einen niederspannungs
seitigen Halbleiterschalter QL zu betreiben. Diese Funktionen
umfassen eine notwendige Eingangslogik, welche auf die Signale
Uin und Lin für die Treiberpegelwertübertragung anspricht, so daß
man den hochspannungsseitigen Schalter QU und den niederspan
nungsseitigen Schalter QL (beispielsweise massebezogen) erhält.
Eine weitere Funktion kann das Bereitstellen der erforderlichen
Interimschaltung umfassen, welche ermöglicht, daß der Bootstrap-
Motortreiber das verstärkte Gate-Treibersignal erzeugt (eine
nähere Beschreibung hierüber erfolgt später). Bei einer darge
stellten bevorzugten Ausführungsform nimmt der Gate-Treiber 34
die Form einer im Handel erhältlichen üblichen Komponente an,
bei der es sich beispielsweise um einen Teil mit der Nummer
IR2110 von International Rectifier, El Segundo, Kalifornien,
handelt. Es sollte noch erwähnt werden, daß auch in großem Um
fang verfügbare integrierte Schaltungen und/oder diskrete Kom
ponentenauslegungsformen hierfür genommen werden können, welche
im wesentlichen ähnliche Funktionen erfüllen. Eine vollständige
Beschreibung der speziellen Gate-Treiberintegrierungsschaltung
34, welche bei der dargestellten bevorzugten Ausführungsform zum
Einsatz kommt, ist eine solche, welche die Bezeichnung AN-978A
hat, und welche von International Rectifier erhältlich ist und
die hierzu gehörige Beschreibung die Bezeichnung "HV Floating
MOS-Gate Driver IC" trägt. Diese Angaben gehören durch die Be
zugnahme vollinhaltlich zum Offenbarungsgehalt der vorliegenden
Anmeldung.
Die Gate-Treiberintegrierungsschaltung 34 spricht auf das Signal
Uin an, um ein Gate-Treibersignal GATEU zu erzeugen, welches an
dem Gate-Anschluß der Hochspannungsseite von QU angelegt wird. In
ähnlicher Weise spricht der Gate-Treiber 34 auf das Signal Lin
an, um das Gate-Treibersignal GATEL zu erzeugen, welches an den
Gate-Anschluß des Schalters QL angelegt wird. Um in effektiver
Weise den hochspannungsseitigen Schalter QU in den leitenden
Zustand zu überführen und hierbei in effektiver Weise die obere
Schienenspannung Vrail auf die Statorwicklung 28 i zu übertragen,
muß der Gate-Anschluß eine höhere Spannung als Vrail haben, wie
dies an sich für den Fachmann auf diesem Gebiet bekannt ist. Zu
diesem Zweck ist ein Bootstrap-Kondensator CB vorgesehen.
Die Schalter QU und QL können von Leistungs-MOSFET-Einrichtungen
(NMOS) gebildet werden. Diese Einrichtungen sind üblich und der
Fachmann kann eine entsprechend geeignete Auswahl hiervon vor
nehmen. Die Komponenten CB, D₁, C₁, R₁ und D₂ sind üblich und an
sich auf diesem Gebiet bekannte Komponenten. Der Fachmann wird
unter Berücksichtigung der entsprechenden Auslegungseinzelheiten
die geeignete Auswahl treffen.
Während eines nicht erregten Intervalls der Statorwicklung 28 i,
was einem logisch niedrigen Wert am Eingangssignal Uin zu dem
Gate-Treiber 34 entspricht, wird der Bootstrap-Kondensator CB auf
etwa VCC mittels der Diode D₁ aufgeladen. Gewisse Pins am Gate-
Treiber 34 nehmen hohe Impedanzausgangszustände ein, so daß
dieses Aufladen ermöglicht wird.
Wenn es erwünscht ist, die Statorwicklung 28 i zu erregen, wird
ein niederspannungsseitiges Eingangssignal Lin bereitgestellt, um
das Signal GATEL zu erzeugen, welches seinerseits den Transistor
QL in den leitenden Zustand überführt. Auch wird das Eingangs
signal Lin bereitgestellt. Wenn dieses vorhanden ist, kann der
Gate-Treiber 34 durch interne Schaltung betrieben werden, um die
dann an dem Bootstrap-Kondensator CB vorhandene Spannung, ins
besondere VB, welche etwa äquivalent zu VCC ist, auf das Gate-
Treibersignal GATEU zu übertragen. Hierdurch wird bewirkt, daß
der hochspannungsseitige Schalter QU beginnt leitend zu werden,
so daß das Spannungspotential an der oberen Spannungsschiene Vrail
zu dem Verknüpfungspunkt 35 übertragen wird. Wenn sich der Ver
knüpfungspunkt 35 ausgehend von Masse (d. h. durch Einschalten
des Schalters QL) sich in Richtung zu der oberen Schienenspannung
Vrail zu bewegen beginnt, wird auch die durch den Gate-Treiber 34
am Gate-Anschluß von QL über das GATEU-Signal angelegte Spannung
hiermit größer. Es sollte noch erwähnt werden, daß die am Gate-
Anschluß des Schalters QU angelegte Spannung immer ein Spannungs
potential VB ist, welches höher als die Spannung am Verknüpfungs
punkt 35 ist. Sobald der hochspannungsseitige Schalter QL voll
ständig aktiviert ist, wird das Potential Vrail zu dem Verknüp
fungspunkt 35 übertragen, und ein Spannungspotential, welches
etwa äquivalent zu Vrail + VB ist, wird an den Gate-Anschluß von
QU angelegt.
Eine bedeutungsvolle Eigenheit des hochspannungsseitigen Halb
leiterschalters QU ist seine kapazitive Eingangscharakteristik,
d. h. die Tatsache, daß er dadurch eingeschaltet wird, daß eine
Ladung an das Gate anstelle eines kontinuierlichen Stromflusses
angelegt wird. Mit der Zeit geht langsam die am Kondensator CB
vorhandene Ladung ab, wobei gegebenenfalls das Spannungspotenti
al des Gate-Treibersignals GATEU abnimmt, wodurch die Leitfähig
keit des Stators QL auf einen Punkt abnehmen kann, an dem QU
schließlich nicht leitend wird.
Es ist natürlich noch zu erwähnen, daß der Kapazitätswert des
Bootstrap-Kondensators CB unter Abgleichung von einigen Einfluß
größen entsprechend gewählt werden muß, welche ohne Beschränkung
die Größe der erforderlichen Gate-Ladung, die längst mögliche
Leitungszeit des Schalters QU (d. h. je größer die Zeit desto
größer die Kapazität), und die kürzeste Leitungszeit umfassen.
Selbst wenn die Größe von CB variieren kann, ist das hierbei zu
berücksichtigende Hauptprinzip darin zu sehen, daß das Signal Uin
periodisch ein- und ausgeschaltet werden muß (d. h. ein Impuls
angelegt wird, so daß ansteigende und fallende Flanken erkennbar
sind). Diese Aktivität ist erforderlich, so daß Intervalle be
reitgestellt werden, welche ermöglichen, daß der Bootstrap-Kon
densator CB mit Hilfe der Diode D₁ auf VCC aufgeladen werden kann.
Wenn diese Aktivitäten an dem Gate-Treiber 34 nicht auftreten,
wird der Bootstrap-Kondensator CB entladen (wie dies voranstehend
beschrieben ist), so daß das hochspannungsseitige Gate QU ausge
schaltet wird.
Die Fig. 4A und 4C zeigen Signale Uin und Lin für den Normalbe
trieb des Elektromotors 10. Die Steuereinrichtung 30 arbeitet,
um Uin entsprechend dem Verlauf 54 zu erzeugen, wenn der Rotor 24
innerhalb eines normalen Drehzahlbereiches, welcher für einen
Normalbetrieb maßgeblich ist, eine Drehbewegung ausführt. In
Fig. 4C ist ein an Masse gelegter Schalter QL vorgesehen, wel
cher in bevorzugter Weise kontinuierlich eingeschaltet sein
sollte, und die Steuereinrichtung 30 arbeitet somit derart, daß
der Verlauf 56 hierbei erzeugt wird.
Fig. 4B zeigt das Signal Uin, wenn das Drehzahlsignal V angibt,
daß der Elektromotor 10 sich in einem Stillstandszustand oder
nahezu in einem Stillstandszustand befindet, was bezeichnend
dafür ist, daß in unerwarteter Weise eine zu große Belastung
aufgetreten ist. Der Verlauf 30 umfaßt keine ansteigende oder
fallende Flanken. Basierend auf der vorstehenden Beschreibung
wird folglich der Bootstrap-Kondensator CB entladen, so daß
dieser derart betrieben wird, daß bewirkt wird, daß der hoch
spannungsseitige Schalter QL ausgeschaltet wird.
Unter Bezugnahme auf Fig. 5 ist eine Schaltungsauslegung ge
zeigt, welche zur Erzeugung des Drehzahlsignals VB betrieben
werden kann, und welche Einrichtungen, wie eine Drehzahlsensor
schaltung 36, umfaßt, um eine Drehzahl des Rotors beim Erzeugen
eines vorläufigen Drehzahlsignals V′A in Abhängigkeit hiervon zu
erfassen. Ferner umfaßt die Schaltungsauslegung einen Verstärker
38 und einen Differentialverstärker 40.
Die Drehzahlsensorschaltung 36 spricht auf eine Mehrzahl von
Maschinenphasen-Kommutationssignalen Φn zum Erzeugen des vor
läufigen Drehzahlsignals V′A an. Die Maschinenphasen-Kommuta
tionssignale Φn weisen eine Mehrzahl von einzelnen Signalen auf,
und zwar eines für jede Maschinenphase des SR-Motors 10, wobei
jedes der Mehrzahl von Signalen wiedergibt, ob die zugeordnete
Maschinenphase durch Befehl zu erregen ist. Kollektiv können die
Maschinenphasen-Kommutationssignale verarbeitet werden, um die
Größe der Drehzahl des Rotors 24 zu bestimmen. Die Schaltung 36
umfaßt eine logische Einrichtung 42, welche auf die Maschi
nenphase-Kommutationssignale anspricht, um ein Ausgangssignal zu
erzeugen, welches eine Frequenz hat, die die Rotordrehzahl wie
dergibt, und sie umfaßt einen Frequenz-Spannungswandler 44,
welcher auf das Ausgangssignal der logischen Einrichtung zur
Erzeugung des Signals V′A anspricht, wobei das vorläufige Dreh
zahlsignal V′A eine Spannungsgröße entsprechend der Rotordrehzahl
hat.
Die logische Einrichtung 42 umfaßt ein erstes exklusives ODER
(XOR) Verknüpfungsglied 46 und ein zweites exklusives ODER (XOR)
Verknüpfungsglied 48, welche in Serie geschaltet sind, um eine
Ausgabeimpulsfolge zu erzeugen, deren Übertragungsfrequenz der
Rotordrehzahl entspricht. Natürlich können auch andere
Schaltungsauslegungsformen genommen werden, welche die gleichen
logischen Funktionen gemäß der voranstehenden Beschreibung ver
wirklichen, und auch diese Schaltungen werden von dem Schutz
umfang der Erfindung erfaßt.
Der Frequenz/Spannungs-Wandler 44 ist von üblicher Bauart und
hat an sich bekannte Funktionen.
Der Verstärker 38 stellt einen Spannungspegel bereit, und die
Impedanzschnittstelle arbeitet derart, daß das vorläufige Dreh
zahlsignal V′A in ein Signal überführt wird, welches einen so
ausreichenden Energiepegel hat, daß die anschließenden Stufen
betrieben werden können, insbesondere der Differentialverstärker
40.
Fig. 6 zeigt den Ausgang des Verstärkers 38, insbesondere das
erste Drehzahlsignal VA. Wie in Fig. 6 gezeigt ist, hat das mit
dem Verlauf 50 dargestellte Signal VA eine Spannungsgröße, welche
proportional zur Drehzahl des Rotors 24 ist.
Der Differentialverstärker 40 ist ein an sich bekanntes Bauele
ment und kann beispielsweise einen Operationsverstärker aufwei
sen, welcher in geeigneter Weise konfiguriert ist.
Fig. 7 zeigt das zweite Drehzahlsignal VB, welches durch den
Differentialverstärker 40 gemäß dem Verlauf 52 erzeugt wird. Aus
Fig. 7 ist insbesondere zu ersehen, daß das Drehzahlsignal VB
nunmehr eine Spannungsgröße hat, die umgekehrt proportional zur
Drehzahl des Rotors 24 ist. Die Steuereinrichtung 30 kann bei
spielsweise eine Komparatorschaltung haben, welche detektiert,
wenn das Drehzahlsignal VB eine Größe hat, die größer als ein
vorbestimmter Wert ist, um anzugeben, daß die Rotordrehzahl
unter einen entsprechenden vorbestimmten Wert abgefallen ist,
woraus sich ergibt, daß eine übermäßige Belastung anliegt (d. h.
ein langsamer Lauf oder nahezu Stillstandszustand).
Unter Bezugnahme auf die Fig. 8, 9 und 10 wird nunmehr die
Arbeitsweise des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bereitstellung
eines Überlastschutzes für einen geschalteten Reluktanzmotor 10
näher erläutert. Insbesondere unter Bezugnahme auf Fig. 8 ist
ein Phasenstrom durch eine ausgewählte Maschinenphase des Motors
10 mit einem Verlauf 58 dargestellt, welcher ein "Zerhackungs"-
Intervall wie an sich bekannt umfaßt, um einen Nennstrom Inom
durch die Statorwicklung 28 i zu erhalten.
Insbesondere unter Bezugnahme auf Fig. 10 ist ein geschaltete
Reluktanzmotorsteuerung, insbesondere das Motortreiberteil, mit
einer Bootstrap-Gate-Treiberschaltung versehen, welche bewirkt,
daß ein hochspannungsseitiger Halbleiterschalter leitend wird,
um hierdurch eine der entsprechend zugeordneten Maschinenphasen
zu erregen. Der Hauptschritt ist im Blockdiagramm mit 64 be
zeichnet.
Der Schritt 66 umfaßt die Bestimmung einer Rotordrehzahl des
Motorrotors, wobei die Rotordrehzahl nach Maßgabe einer tatsäch
lichen Drehzahl des Rotors 24 wiedergegeben wird. Dieser Schritt
umfaßt den Unterschritt der logischen Verarbeitung der Kommuta
tionssignale Φn, welche vorstehend angegeben worden sind und
welche angeben, wann die Mehrzahl von Maschinenphasen zu erregen
sind, um das Rotordrehzahlsignal zu definieren. Bei einer Ausge
staltungsform zeichnet sich ein vorläufiges Rotordrehzahlsignal
durch eine Frequenz aus, welche der tatsächlichen Rotordrehzahl
entspricht. Ein weiteres Rotordrehzahlsignal zeichnet sich durch
eine Spannungsgröße aus, welche der tatsächlichen Rotordrehzahl
entspricht.
Ein Schritt 68 umfaßt die Bestimmung, ob die Rotordrehzahl grö
ßer als ein vorbestimmter Wert ist. Wenn die Rotordrehzahl grö
ßer als der vorbestimmte Wert ist, dann wird der Schritt 70
ausgeführt, welcher normalerweise das Kommutieren der Maschi
nenphasen unter Einsatz der Bootstrap-Schaltung umfaßt. Wenn
alternativ die Rotordrehzahl niedriger als ein vorbestimmter
Wert ist (welche den Wert von Null im Stillstandszustand anneh
men kann), dann wird der Schritt 72 ausgeführt, bei welchem die
Erregung der Maschinenphasen durch eine Veränderung der Treiber
charakteristik desaktiviert wird (d. h. eine Entladung des Boots
trap-Kondensators), wodurch ermöglicht wird, daß das Gate-Trei
bersignal GATEU der Bootstrap-Treiberschaltung kleiner wird, wenn
die Rotordrehzahl unter dem vorbestimmten Wert liegt, um hier
durch einen elektrischen Überlaststromschutz für den SR-Motor 10
bereit zustellen.
Es sollte noch erwähnt werden, daß die Bestimmung, ob die Rotor
drehzahl über oder unter einem vorbestimmten Wert ist, bei einer
bevorzugten Ausführungsform dadurch erfolgt, daß die Entladezeit
des Bootstrap-Kondensators CB hierzu herangezogen wird. Somit
umfaßt diese Bestimmung die Unterschritte, gemäß denen ein Boot
strap-Kondensator CB während eines Zeitintervalls aufgeladen
wird, wenn die Maschinenphase desaktiviert ist, um ein vorbe
stimmtes Spannungspotential aufzubauen, und gemäß denen der
Bootstrap-Kondensator während des Zeitintervalls entladen wird,
wenn die entsprechende Maschinenphase zu erregen ist. Die Ände
rung der Treibercharakterisitk der Bootstrap-Treiberschaltung
umfaßt eine Veränderung der am Bootstrap-Kondensator vorhandenen
Ladungsgröße, welche aufgrund des an sich bekannten Zusammen
hangs zwischen Ladung, Spannung und Kapazität zu einer Verände
rung mit dem Spannungspotential am Bootstrap-Kondensator führt.
Wenn, wie zuvor beschrieben, die Spannung am Bootstrap-Kondensa
tor abnimmt, wird der hochspannungsseitige Halbleiterschalter QU
ausgeschaltet, so daß der Schritt ausgeführt wird, daß die Sta
torwicklung hinsichtlich der Erregung gesperrt wird. Dieses
Abschalten stellt einen elektrischen Überlaststromschutz für den
Motor 10 bereit.
Zusammenfassend wird nach der Erfindung ein Überlastschutz für
einen geschalteten Reluktanzmotor 10 bereitgestellt. Dieser
Schutz wird vorzugsweise bei einem Motortreiber verwirklicht,
bei dem ein hochspannungsseitiger Halbleiterschalter QU zum Ein
satz kommt, dessen zugeordnete Treibertopologie jene mit einer
Veränderung nach der Bootstrap-Bauart ist. Da der hochspannungs
seitige Gate-Treiber ansteigende und abfallende Flanken von der
Steuereinrichtung haben muß, um die Bootstrap-Treiberschalter zu
betreiben, wird er nur ein- und ausgeschaltet, und zwar nur
dann, wenn der Motor 10 sich dreht, was mit einem Drehzahlsignal
angegeben wird. Wenn daher der Motor 10 infolge einer unerwarte
ten Belastung still steht oder zum Stillstand kommt, wird der
hochspannungsseitige Halbleiterschalter QU ausgeschaltet, sobald
die Bootstrap-Energieversorgung (d. h. der Bootstrap-Kondensator
CB), welche bei der hochspannungsseitigen Gate-Treiberschaltung
zum Einsatz kommt, aufgebraucht ist oder entladen ist, was sich
in typischerweise in einer Größenordnung von einigen 100 Milli
sekunden ergibt. Da sowohl die hochspannungsseitigen als auch
die niederspannungsseitigen (die an Masse liegenden) Halbleiter
schalter eingeschaltet sein müssen, um einen Strom durch die
Statorwicklung 28 i zu leiten, ist der Treiber desaktiviert, wenn
QU abgeschaltet ist. Somit wird ein Überstromzustand infolge
einer Überlastung am Motor 10 auf einige 100 Millisekunden be
schränkt. Dieses Zeitintervall bietet mehr als einen adäquaten
Schutz für die Leistungselektronik im Falle einer Überlastung.
Ferner kann der Motortreiber nach einer Überlastabschaltung
reaktiviert werden. Wenn die übergroße Belastung nicht mehr
vorhanden ist, kehrt der Motor zu der Grundbetriebsart zurück
(d. h. er führt eine Drehbewegung in einem Nenndrehzahlbereich
aus), und wenn dies nicht der Fall ist, schaltet der Treiber
wiederum, wie zuvor beschrieben, ab. Insbesondere sind keine
besonderen Schaltungen oder zusätzliche komplizierte Stromsen
sorkomponenten erforderlich, so daß sich die Kosten bei der
erfindungsgemäßen Auslegung reduzieren lassen und sich die Zu
verlässigkeit steigern läßt.
Natürlich ist die Erfindung nicht auf die zuvor beschriebenen
Einzelheiten beschränkt, sondern es sind zahlreiche Abänderungen
und Modifikationen möglich, die der Fachmann im Bedarfsfall
treffen wird, ohne den Erfindungsgedanken zu verlassen.
Claims (6)
1. Verfahren zum Betreiben einer geschalteten Reluktanzmaschi
ne (SRM), welche einen drehbeweglichen Rotor, einen Stator
und eine Mehrzahl von Statorwicklungen umfaßt, welche eine
entsprechende Anzahl von Maschinenphasen bilden, wobei das
Verfahren folgende Schritte aufweist:
- (A) Vorsehen einer Bootstrap-Treiberschaltung, welche selektiv bewirkt, daß ein hochspannungsseitige Halbleiter schalter leitend wird, um hierdurch eine der entsprechenden Maschinenphasen zu erregen;
- (B) Bestimmen einer Rotordrehzahl, welche eine aktu elle Drehzahl des Rotors wiedergibt;
- (C) Umschalten der Maschinenphasen des SRM im Grund zustand unter Einsatz der Bootstrap-Treiberschaltung, wenn die Rotordrehzahl über einem vorbestimmten Wert ist; und
- (D) Sperrung der Erregung der Maschinenphasen durch eine Änderung der Treibercharakteristik der Bootstrap-Trei berschaltung, wenn die Rotordrehzahl niedriger als der vorbestimmte Wert ist, wodurch ein abnormaler Betriebszu stand angegeben wird, und hierdurch eine elektrischer Über laststromschutz für den SRM bereitgestellt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der
Schritt (A) den folgenden Unterschritt umfaßt:
Aufladen eines Boostrap-Kondensators während einer Zeit, wenn die zugeordnete Maschinenphase nicht erregt ist, um hierdurch ein vorgewähltes Spannungspotential aufzubau en.
Aufladen eines Boostrap-Kondensators während einer Zeit, wenn die zugeordnete Maschinenphase nicht erregt ist, um hierdurch ein vorgewähltes Spannungspotential aufzubau en.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß der Schritt (B) den folgenden Unterschritt umfaßt:
Logisches Verarbeiten der Kommutationssignale, welche angeben, wenn die Mehrzahl von Maschinenphasen erregt wird, um ein die Rotordrehzahl wiedergebendes Signal zu liefern, welches eine Frequenz hat, welche der tatsächlichen Motor drehzahl entspricht.
Logisches Verarbeiten der Kommutationssignale, welche angeben, wenn die Mehrzahl von Maschinenphasen erregt wird, um ein die Rotordrehzahl wiedergebendes Signal zu liefern, welches eine Frequenz hat, welche der tatsächlichen Motor drehzahl entspricht.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Schritt (C) den folgenden Unterschritt
umfaßt:
Erzeugen eines Treiberbefehlssignals unter Verwendung der Kommutationssignale;
Anlegen des Treiberbefehlssignals an die Bootstrop- Schaltung, um hierdurch zu bewirken, daß der hochspannungs seitige Halbleiterschalter die zugeordnete Maschinenphase erregt.
Erzeugen eines Treiberbefehlssignals unter Verwendung der Kommutationssignale;
Anlegen des Treiberbefehlssignals an die Bootstrop- Schaltung, um hierdurch zu bewirken, daß der hochspannungs seitige Halbleiterschalter die zugeordnete Maschinenphase erregt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Treibercharakteristik der Bootstrap-
Schaltung eine Ladungsgröße umfaßt, welche von einem Boot
strap-Kondensator verfügbar ist.
6. Verfahren zum Betreiben einer geschalteten Reluktanzmaschi
ne (SRM), welche einen drehbeweglichen Rotor, einen Stator
und eine Mehrzahl von Statorwicklungen umfaßt, welche eine
entsprechende Anzahl von Maschinenphasen bilden, wobei sich
das Verfahren durch die folgenden Schritte auszeichnet:
- (A) Vorsehen einer Bootstrap-Treiberschaltung, welche einen Bootstrap-Kondensator umfaßt, welcher selektiv be wirkt, daß ein hochspannungsseitiger Halbleiterschalter leitend wird, um hierdurch eine der Maschinenphasen zu erregen;
- (B) Aufladen des Bootstrap-Kondensators während einer Zeit, wenn die entsprechenden Maschinenphase nicht erregt wird, um hierdurch ein vorwählbares Spannungspotential aufzubauen;
- (C) Bestimmen einer Rotordrehzahl, welche eine tat sächliche Drehzahl des Rotors wiedergibt,
- (D) Kommutieren der Maschinenphasen des SRM im Nor malzustand unter Einsatz der Bootstrap-Treiberschaltung, wenn die Rotordrehzahl größer als ein vorbestimmter Wert ist; und
- (E) Sperren der Erregung der Maschinenphasen durch Entladen des Bootstrap-Kondensators während der Erregung der zugeordneten Maschinenphasen derart, daß der hochspan nungsseitige Halbleiterschalter nicht leitend werden kann, wenn die Rotordrehzahl niedriger als der vorbestimmte Wert ist, wodurch ein abnormaler Betriebszustand angegeben wird und hierdurch ein Überlaststromschutz für den SRM bereitge stellt wird.
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8141 | Disposal/no request for examination |