DE19715943A1 - Verfahren zum Schutzbetrieb für einen geschalteten elektrischen Reluktanzmotor - Google Patents

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 V_A, welches durch die in Fig. 5 gezeigte Drehzahlsignal-Erzeugungsschaltung erzeugt wird,

Fig. 7 ein vereinfachtes Diagramm der Rotordrehzahlen über der Spannung des Drehzahlsignals V_B, 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 Q_U 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 (V_CC) 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 V_B an, dessen Größe bei einer bevorzugten Ausführungsform umgekehrt proportional zu einer tatsächlichen Drehzahl des Rotors 24 ist. Basierend auf einem Drehzahlsignal V_B 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 U_in zu erzeugen sowie ein niederspannungsseitiges Schalttreiberbefehlserregungs­ signal L_in.

Die Bootstrap-Treiberschaltung 32 wird eingesetzt, um ein ver­ stärktes Gate-Treibersignal bereitzustellen, und sie umfaßt eine Gate-Treiberintegrierungsschaltung 34, einen Bootstrap-Kondensa­ tor C_B, eine erste Diode D₁, einen ersten Kondensator C₁, einen hochspannungsseitigen Halbleiterschalter Q_U, einen niederspan­ nungsseitigen Halbleiterschalter Q_L, 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 Q_U und einen niederspannungs­ seitigen Halbleiterschalter Q_L zu betreiben. Diese Funktionen umfassen eine notwendige Eingangslogik, welche auf die Signale U_in und L_in für die Treiberpegelwertübertragung anspricht, so daß man den hochspannungsseitigen Schalter Q_U und den niederspan­ nungsseitigen Schalter Q_L (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 U_in an, um ein Gate-Treibersignal GATE_U zu erzeugen, welches an dem Gate-Anschluß der Hochspannungsseite von Q_U angelegt wird. In ähnlicher Weise spricht der Gate-Treiber 34 auf das Signal L_in an, um das Gate-Treibersignal GATE_L zu erzeugen, welches an den Gate-Anschluß des Schalters Q_L angelegt wird. Um in effektiver Weise den hochspannungsseitigen Schalter Q_U in den leitenden Zustand zu überführen und hierbei in effektiver Weise die obere Schienenspannung V_rail auf die Statorwicklung 28 _i zu übertragen, muß der Gate-Anschluß eine höhere Spannung als V_rail haben, wie dies an sich für den Fachmann auf diesem Gebiet bekannt ist. Zu diesem Zweck ist ein Bootstrap-Kondensator C_B vorgesehen.

Die Schalter Q_U und Q_L 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 C_B, 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 U_in zu dem Gate-Treiber 34 entspricht, wird der Bootstrap-Kondensator C_B auf etwa V_CC 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 L_in bereitgestellt, um das Signal GATE_L zu erzeugen, welches seinerseits den Transistor Q_L in den leitenden Zustand überführt. Auch wird das Eingangs­ signal L_in bereitgestellt. Wenn dieses vorhanden ist, kann der Gate-Treiber 34 durch interne Schaltung betrieben werden, um die dann an dem Bootstrap-Kondensator C_B vorhandene Spannung, ins­ besondere V_B, welche etwa äquivalent zu V_CC ist, auf das Gate- Treibersignal GATE_U zu übertragen. Hierdurch wird bewirkt, daß der hochspannungsseitige Schalter Q_U beginnt leitend zu werden, so daß das Spannungspotential an der oberen Spannungsschiene V_rail zu dem Verknüpfungspunkt 35 übertragen wird. Wenn sich der Ver­ knüpfungspunkt 35 ausgehend von Masse (d. h. durch Einschalten des Schalters Q_L) sich in Richtung zu der oberen Schienenspannung V_rail zu bewegen beginnt, wird auch die durch den Gate-Treiber 34 am Gate-Anschluß von Q_L über das GATE_U-Signal angelegte Spannung hiermit größer. Es sollte noch erwähnt werden, daß die am Gate- Anschluß des Schalters Q_U angelegte Spannung immer ein Spannungs­ potential V_B ist, welches höher als die Spannung am Verknüpfungs­ punkt 35 ist. Sobald der hochspannungsseitige Schalter Q_L voll­ ständig aktiviert ist, wird das Potential V_rail zu dem Verknüp­ fungspunkt 35 übertragen, und ein Spannungspotential, welches etwa äquivalent zu V_rail + V_B ist, wird an den Gate-Anschluß von Q_U angelegt.

Eine bedeutungsvolle Eigenheit des hochspannungsseitigen Halb­ leiterschalters Q_U 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 C_B vorhandene Ladung ab, wobei gegebenenfalls das Spannungspotenti­ al des Gate-Treibersignals GATE_U abnimmt, wodurch die Leitfähig­ keit des Stators Q_L auf einen Punkt abnehmen kann, an dem Q_U schließlich nicht leitend wird.

Es ist natürlich noch zu erwähnen, daß der Kapazitätswert des Bootstrap-Kondensators C_B 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 Q_U (d. h. je größer die Zeit desto größer die Kapazität), und die kürzeste Leitungszeit umfassen. Selbst wenn die Größe von C_B variieren kann, ist das hierbei zu berücksichtigende Hauptprinzip darin zu sehen, daß das Signal U_in 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 C_B mit Hilfe der Diode D₁ auf V_CC aufgeladen werden kann. Wenn diese Aktivitäten an dem Gate-Treiber 34 nicht auftreten, wird der Bootstrap-Kondensator C_B entladen (wie dies voranstehend beschrieben ist), so daß das hochspannungsseitige Gate Q_U ausge­ schaltet wird.

Die Fig. 4A und 4C zeigen Signale U_in und L_in für den Normalbe­ trieb des Elektromotors 10. Die Steuereinrichtung 30 arbeitet, um U_in 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 Q_L 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 U_in, 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 C_B entladen, so daß dieser derart betrieben wird, daß bewirkt wird, daß der hoch­ spannungsseitige Schalter Q_L ausgeschaltet wird.

Unter Bezugnahme auf Fig. 5 ist eine Schaltungsauslegung ge­ zeigt, welche zur Erzeugung des Drehzahlsignals V_B 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 Φ_n zum Erzeugen des vor­ läufigen Drehzahlsignals V′_A an. Die Maschinenphasen-Kommuta­ tionssignale Φ_n 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 V_A. Wie in Fig. 6 gezeigt ist, hat das mit dem Verlauf 50 dargestellte Signal V_A 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 V_B, welches durch den Differentialverstärker 40 gemäß dem Verlauf 52 erzeugt wird. Aus Fig. 7 ist insbesondere zu ersehen, daß das Drehzahlsignal V_B 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 V_B 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 I_nom 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 Φ_n, 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 GATE_U 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 C_B hierzu herangezogen wird. Somit umfaßt diese Bestimmung die Unterschritte, gemäß denen ein Boot­ strap-Kondensator C_B 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 Q_U 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 Q_U 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 Q_U ausgeschaltet, sobald die Bootstrap-Energieversorgung (d. h. der Bootstrap-Kondensator C_B), 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 Q_U 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.

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.

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.

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.