DE3813130C2 - Digitale Steuereinheit für einen geschalteten Reluktanzmotor - Google Patents
Digitale Steuereinheit für einen geschalteten ReluktanzmotorInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine digitale Steuereinheit
für einen geschalteten Reluktanzmotor, der mehrere unabhän
gige Statorphasen sowie einen Rotor aufweist.
Obgleich geschaltete Reluktanzmotor(SRM)-Antriebe seit ei
niger Zeit bekannt sind, hat sich das Interesse an ihnen
kürzlich neu belebt. Verglichen mit herkömmlichen Induk
tions- und Synchronmotorantriebssystemen ist der SRM-
Antrieb wirtschaftlich und im Aufbau einfach. Darüber hin
aus benötigt der Stromrichter, der die SRM-Maschine speist,
weniger Leistungshalbleiter und ist deshalb wirtschaft
licher und zuverlässiger. Angesichts dieser Vorteile bildet
das Antriebssystem mit geschaltetem Reluktanzmotor eine
attraktive Alternative zu herkömmlichen Antriebssystemen
und dürfte für industrielle Zwecke breite Anwendung finden.
Geschaltete Reluktanzmotoren haben üblicherweise mehrere
Pole oder Zähne sowohl am Stator als auch am Rotor (d. h.
sie weisen beidseits ausgeprägte Pole auf). Es gibt Phasen
wicklungen auf dem Stator, aber keine Wicklungen oder
Magnete auf dem Rotor. Jedes Paar diametral entgegenge
setzter Statorpole ist in Reihe geschaltet und bildet eine
unabhängige Phase des geschalteten mehrphasigen Reluktanz
motors.
Drehmoment wird erzeugt, indem der Strom jeder Phasen
wicklung in einer vorbestimmten Reihenfolge eingeschaltet
wird, die mit der Winkelposition des Rotors in Synchro
nismus ist, so daß sich eine magnetische Anziehungskraft
zwischen den Rotor- und den Statorpolen ergibt und diese
sich gegenseitig anziehen. Der Strom wird in jeder Phase
ausgeschaltet, bevor die Rotorpole, die den Statorpolen
dieser Phase am nächsten sind, bei ihrer Drehung die aus
gerichtete Position durchlaufen; anderfalls würde die
magnetische Anziehungskraft ein Brems- oder negatives
Drehmoment erzeugen. Das entwickelte Drehmoment ist von
der Richtung des Stromflusses unabhängig, so daß unidi
rektionale Stromimpulse, die mit der Rotorbewegung in
Synchronismus sind, an die Statorphasenwicklungen durch
einen Stromrichter angelegt werden können, in welchem
unidirektionale Stromschaltelemente wie Thyristoren und
Transistoren benutzt werden.
Im Betrieb des geschalteten Reluktanzantriebs werden so
mit die Statorphasenströme in Synchronismus mit der Ro
torposition ein- und ausgeschaltet. Durch richtiges Posi
tionieren der Zündimpulse relativ zu dem Rotorwinkel kön
nen Vor- oder Rückwärtsbetrieb und Motor- oder Generator
betrieb erzielt werden.
In vielen Fällen ist die Verwendung eines festen Satzes
von Stromimpulszündwinkeln in Verbindung mit einer Strom
stärkeneinstellung zum Steuern des Drehmoments für den
gesamten Bereich des Motorbetriebes ausreichend. In sol
chen Fällen können ein Satz optische Unterbrecher und ei
ne geschlitzte Scheibe zum Ausführen der Kommutierung be
nutzt werden.
In jüngerer Zeit findet jedoch der geschaltete Reluktanz
motor zunehmend Verwendung als Motor/Generator-Kombina
tion oder als Positionsservoeinrichtung. Für diese Ver
wendungszwecke ergeben feste Zündwinkel nicht immer ein
ausreichendes Maschinendrehmoment über dem verlangten
Drehzahlbereich. Auch ist bei diesen Verwendungszwecken
häufig eine präzise Positions- und Drehzahlinformation über
dem vollen Betriebsbereich der Maschine erforderlich. Bei
solchen Verwendungszwecken kann eine geschlitzte Scheibe
keine ausreichende Genauigkeit bieten, und deshalb wird
häufig ein optischer Drehgeber oder -melder zum Messen von
Position und Drehzahl benutzt.
Wenn der Drehzahlbereich eines geschalteten Reluktanzmotors
zunimmt, wird es im allgemeinen erwünscht, die Zündwinkel
der Stromimpulse in bezug auf die Rotorposition wahlweise
einstellen zu können. Bei hohen Drehzahlen geht die Strom
steuerung verloren, und die einzige Möglichkeit zum Steuern
des Motordrehmoments besteht darin, die Impulsposition und
-breite zu verändern.
Wenn eine analog arbeitende SRM-Steuereinheit bei solchen
Verwendungszwecken benutzt wird, wird eine Kommutierungsein
richtung in Hardwareform zum Erzeugen der geeigneten Phasen
zündimpulse benötigt. Wenn, wie es häufig erwünscht ist,
eine Steuereinheit auf Mikroprozessorbasis benutzt wird,
kann der Prozessor selbst die Zündbefehle bei niedrigeren
Drehzahlen erzeugen. Wenn aber die Maschinendrehzahl
zunimmt, kann diese Aufgabe einen nicht mehr akzeptablen
Teil der Zeit des Prozessors in Anspruch nehmen. Es ist dem
gemäß erwünscht, die Kommutierungsfunktion von dem Mikro
prozessor auf eine separate Digitalschaltung zu verlagern.
Eine Anzahl von digitalen Kommutierungseinrichtungen für
bürstenlose Gleichstrommotoren ist bereits vorgeschlagen
worden. Die meisten dieser Schaltungen scheinen entweder
hinsichtlich ihrer Schnittstelle mit dem Rotorpositionssen
sor oder hinsichtlich ihres Drehzahlbereiches beschränkt zu
sein. Zum Beispiel beschreiben L. Thompson und M. Lee in dem
Artikel "Universal Brushless Motor Commutator", der auf dem
13th Annual Symposium on Incremental Motion Control Sys
tems and Devices, Urbana, Illinois, Mai 1984, präsentiert
worden ist, eine Kommutierungsschaltung, die eine Schnitt
stelle mit einem inkrementellen Drehgeber hat und eine
Zündvoreilung gestattet, aber eine feste Impulsbreite be
nutzt. Bei einem geschalteten Reluktanzmotor ist jedoch
die Stromeinstellung bei hoher Drehzahl wegen des Aufbaus
einer Gegen-EMK nicht möglich, und eine Impulsbreitener
weiterung wird benötigt, um den Betrieb bei solchen hohen
Drehzahlen zu gestatten.
Die US-PS 4 270 074 und 4 368 411 beschreiben Steuersyste
me für bürstenlose Gleichstrommotoren, bei denen ein Fest
speicher (ROM) benutzt wird. Mit bürstenlosen Gleichstrom
motoren sind bei diesen US-Patentschriften wie üblich
Dauermagnetmotoren gemeint, in denen Magnete auf die Ober
fläche des Rotors geklebt und die Statorphasenwicklungen
in Sternschaltung miteinander verbunden sind, nicht aber
geschaltete Reluktanzmotoren. Gemäß der US-PS 4 270 074
wird ein ROM benutzt, der durch Motorwellenpositionssenso
ren adressiert wird, um den synchronen Betrieb zu gewähr
leisten, es ist aber nicht vorgesehen, das Ansprechen des
Speichers als Funktion der Drehzahl zu ändern. Gemäß der
US-PS 4 368 411 wird ein ROM zum Steuern eines Antriebsum
schaltkreises benutzt. Ein externer Pulsbreitenmodulator
gestattet eine gewisse Veränderung der Impulsbreite der
durch den ROM erzeugten Impulse, bei dieser patentierten
Schaltung ist aber keine Veränderung des Einschaltwinkels
dieser Impulse vorgesehen.
BOSE, BIMAL K. et al.: "Microcomputer Control of Switched
Reluctance Motor" in: IEEE Transactions on Industry Appli
cations, Band IA-22, Nr. 4, Juli/August 1986, S. 708-715,
beschreiben eine Kommutierungseinrichtung für einen ge
schalteten Reluktanzmotor mit einer digital arbeitenden
Vorrichtung zur Einstellung des Voreilwinkels, die je Mo
torphase aus zwei programmierbaren Abwärtszählern besteht.
Die Größe des Voreilwinkels und die Dauer des Stromflusses
werden den Zählern von einem Mikroprozessor vorgegeben,
ebenso ein durch eine PLL mit der Rotordrehfrequenz syn
chronisiertes Pulssignal. Ein ROM für die Kommutierungsse
quenzen und eine diesen beaufschlagende Adreßeinrichtung
ist aber nicht vorgesehen.
Aus US-A-4 618 808 ist eine Kommutierungsschaltung für ei
nen als geschalteter Reluktanzmotor ausgebildeten Schritt
motor bekannt, bei dem die Rotorposition durch Sensoren in
einem Sensorblock erfaßt und die Statorphasen in Abhängig
keit von der Rotorstellung ein- und ausgeschaltet werden.
Dazu ist zwischen den Sensoren und den Schalttransistoren
eine Kommutierungseinrichtung vorgesehen, die die Code
wandlung vornimmt. Die Kommutierungseinrichtung ist ein PLA
(Programmable Logic Array), die zur Familie der Festwert
speicher gehört (vgl. TIETZE, U.; SCHENK, CH.: "Halb
leiterschaltungstechnik" 7. Aufl., 1985, Springer-Verlag,
Berlin, S. 269-277). Dabei werden Rotorstellungssignale
einem Teil der Eingänge des Kommutators in Adressenform
(paralleles Bitmuster) zugeführt, während weiteren
Eingängen ebenfalls in Adressenform ein Bitmuster zugeführt
wird, mit dem der Voreilwinkel bestimmt wird.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine digitale Steuereinheit
für einen geschalteten Reluktanzmotor zu schaffen, bei der
mit einfachen Mitteln dem Mikroprozessor die Kommutierungs
funktion abgenommen und über einen extrem breiten Drehzahl
bereich erfüllt wird.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Pa
tentanspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Un
teransprüchen beansprucht.
Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbe
sondere darin, daß die erfindungsgemäße Kommutierungsein
richtung dem Mikroprozessor die Kommutierungsfunktion ab
nimmt und sie über einem extrem breiten Drehzahlbereich
ausübt. Dabei wird eine vollständige Flexibilität in der
Impulspositionierung und der Impulsbreite erlaubt und da
durch die SRM-Leistung über einem sehr breiten Drehzahlbe
reich ermöglicht. Die Erfindung gestattet die Verwendung
eines geschalteten Reluktanzmotors bei höheren Drehzahlen
als bisher möglich und erleichtert die Verwendung eines SRM
als Servoantrieb in der Raumfahrtindustrie und für diverse
andere Zwecke.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden
unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es
zeigen:
Fig. 1a eine vereinfachte Querschnittsansicht eines
typischen geschalteten Reluktanzmotors,
Fig. 1b einen typischen Stromrichter für einen
geschalteten Reluktanzmotor nach Fig. 1a,
Fig. 2 ein Blockschaltbild des gesamten geschalteten
Reluktanzantriebs,
Fig. 3 ein Blockschaltbild einer ersten Ausführungs
form der Kommutierungseinrichtung gemäß der Erfindung,
Fig. 4 graphisch Veränderungen in einem Zündbefehls
impuls für eine einzelne Statorphase in dem geschalteten
Reluktanzmotor gemäß der Erfindung,
Fig. 5a graphisch einen Statorphasen-Stromimpuls in
dem geschalteten Reluktanzmotor nach Fig. 1a bei dessen
Betrieb mit niedriger Drehzahl,
Fig. 5b graphisch einen Statorphasen-Stromimpuls in
dem geschalteten Reluktanzmotor nach Fig. 1a bei dessen
Betrieb mit mittlerer Drehzahl, wobei der Impuls mit einem
Voreilwinkel geliefert wird,
Fig. 5c graphisch einen Statorphasen-Stromimpuls in
dem geschalteten Reluktanzmotor nach Fig. 1a bei dessen
Betrieb mit hoher Drehzahl, wobei der Impuls einen
Voreilwinkel und eine erweiterte Impulsbreite hat, und
Fig. 6 eine weitere Ausführungsform
der Kommutierungseinrichtung
nach der Erfindung.
Die Kommutierungseinrichtung und die Steuereinheit nach den
beschriebenen Ausführungsbeispielen der Erfindung sind zur
Verwendung mit einem SRM in einem geschalteten Reluktanz
antrieb ausgelegt. Beispielsweise ist ein vierphasiger ge
schalteter Reluktanzmotor 10 in Fig. 1a dargestellt, und
ein typischer zugeordneter Stromrichter 20 ist in Fig. 1b
gezeigt. Es ist klar, daß diese Motor/Stromrichter-Konfigu
ration lediglich zu Veranschaulichungszwecken dient und daß
die Kommutierungseinrichtung und die Steueranordnung nach
der Erfindung bei jedem SRM mit irgendeiner Phasenzahl ver
wendbar sind.
Gemäß der Darstellung in Fig. 1a hat der Reluktanzmotor 10
einen Rotor 12, der entweder in Vorwärts- oder in Rück
wärtsrichtung in einem stationären Stator 14 drehbar ist.
Die Vorwärtsrichtung F gibt die Drehung des Rotors 12 im
Gegenuhrzeigersinn an, wogegen die Rückwärtsrichtung R die
Drehung im Uhrzeigersinn angibt. Der Rotor 12 hat drei
Paare von diametral entgegengesetzten Polen a-a', b-b' und
c-c'. Der Stator 14 ist mit vier Paaren von diametral ent
gegengesetzten Statorpolen A-A', B-B', C-C' und D-D' ver
sehen.
Die entgegengesetzten Pole jedes Statorpolpaares teilen
sich eine gemeinsame bifilare Wicklung und bilden eine un
abhängige Statorphase. Eine repräsentative Wicklungsspule
16 für die Phase A ist in Fig. 1a dargestellt, und gleich
artige Wicklungen (nicht dargestellt) sind für jedes andere
Statorpolpaar vorgesehen.
Die Rotordrehung wird erzeugt, indem der Strom in jeder
Statorphasenwicklung in einer vorbestimmten Sequenz ein-
und ausgeschaltet wird, die mit der Winkelposition des Ro
tors 12 in Synchonismus ist. Der Strom in jeder Statorphase
wird dem Stromrichter 20 entnommen, der in Fig. 1b darge
stellt ist und eine Gleichstromzwischenkreisspannung Vd an
den vier parallelen Statorphasen PH-A, PH-B, PH-C und PH-D
einprägt. Die Zwischenkreisspannung Vd kann einer Batterie
(nicht dargestellt) oder aus einer Wechselstromversorgung
(z. B. einem dreiphasigen Netz mit 220 V und 60 Hz) über eine
herkömmliche Diodengleichrichterschaltung 22 und einen
Filterkondensator 23 entnommen werden.
Die Stromrichterschaltung für jede Statorphase ist gleich.
Der Zweig der Statorphase PH-A enthält beispielsweise eine
bifilare Statorwicklung 24A, eine Rückkopplungsdiode 26A
und eine Stromschaltvorrichtung in Form eines Transistors
TA, der wie in Fig. 1b gezeigt geschaltet ist. Die Basis
25A des Transistors TA ist mit einem Ausgang der Steuerein
heit nach den beschriebenen Ausführungsbeispielen der
Erfindung verbunden und empfängt daraus eine Schaltsteuer
impulsfolge SA.
Wenn der Transistor TA eingeschaltet ist, fließt ein
Phasenstrom iA, der aus dem Zwischenkreisstrom Id abgelei
tet wird, durch die Statorwicklung 24A für die Phase A.
Wenn der Transistor TA abgeschaltet wird, liefert die
Statorwicklung 24A in Reihe mit der Rückkopplungsdiode 26A
die gespeicherte Energie an die Quelle zurück. Während des
Bremsens ist der dynamische Bremstransistor TDB in Reihe
mit einem Widerstand R parallel zu der Quelle gleichgerich
teten Wechselstroms eingeschaltet, damit die rückgewonnene
Energie in dem Widerstand R verbraucht wird. Bei einer
Batteriestromversorgung wird statt dessen die Energie durch
die Stromversorgung aufgenommen.
Die Stromrichterschaltung für die anderen Phasenzweige
arbeitet jeweils auf gleiche Weise und wird demgemäß hier
nicht im einzelnen beschrieben. Die Transistoren TA, TB, TC
und TD werden nacheinander zum Leiten gebracht, wobei die
Reihenfolge des Leitens von der Drehrichtung abhängig ist.
Bei der dargestellten vierphasigen Maschine wird eine be
stimmte Phase periodisch mit einer 60°-Zyklusperiode ge
zündet, weshalb bei der vierphasigen Maschine aufeinander
folgende Phasen in 15°-Intervallen gezündet werden.
Eine Kommutierungseinrichtung 36 steuert die Positionierung
und die Dauer der Phasenschaltbefehlsimpulse, die an die
Stromschaltvorrichtung des Wechselrichters 34 abgegeben
werden. Ein Blockschaltbild einer SRM-Steueranordnung 30
auf Mikrocomputerbasis, die eine solche Kommutierungsein
richtung 36 enthält, ist in Fig. 2 gezeigt. Wie dargestellt
ist, empfängt ein Mikroprozessor 32 die Zwischenkreis
spannung Vd, den Zwischenkreisstrom Id, ein Drehzahlsignal
ω und Bedienerbefehle. Auf bekannte Weise verarbeitet der
Mikroprozessor 32 diese Eingangssignale und liefert einen
Sollstrombefehl ISoll, einen Voreilwinkelbefehl und einen
Schließwinkelbefehl, die so sind, daß die gewünschte SRM-
Leistung erzeugt wird. Der Sollstrombefehl ISoll wird an
einen stromgeregelten Wechselrichter 34 ähnlich dem oben
beschriebenen Stromrichter 20 in Fig. 1b abgegeben, der
aber auf ebenfalls bekannte Weise den Stromwert der Stator
phasenstromimpulse regelt.
Die Voreil- und Schließwinkelbefehle aus dem Mikroprozessor
32 werden an die Kommutierungseinrichtung 36, die im
folgenden ausführlicher beschrieben ist, zusammen mit einem
Positionssignal θ angelegt, das die augenblickliche Rotor
position darstellt. Die besonderen optimalen Winkel zum
Zünden der Statorphasen (d. h. der Voreilwinkel und die Ver
weilzeit oder Impulsbreite) über einem gewünschten Dreh
zahlbereich hängen von der Maschinengeometrie ab und können
beispielsweise experimentell bestimmt und dann in dem
Mikroprozessor auf bekannte Weise realisiert werden, z. B.
durch Approximieren derselben mit Polynomen oder durch
stückweise lineare Approximation oder mit Suchtabellen. Die
besondere Methode der Funktionsrealisierung ist hier un
kritisch, solange die Voreil- und Schließwinkelbefehle aus
den Ausgängen des Mikroprozessors für die gewünschte Motor
steuerung über dem Drehzahlbereich für die besonderen Ver
wendungszwecke sorgen.
Ein Drehgeber 38 in Verbindung mit einem Digitalwandler 40
oder irgendeiner gleichwertigen Rotorpositionsabfühl- und
-schnittstellenanordnung erzeugt das digitale Positionssig
nal θ, welches die augenblickliche Rotorwinkelposition dar
stellt. Der Digitalwandler 40 gibt außerdem das Drehzahl
signal ω an den Mikroprozessor 32 ab.
Die Kommutierungseinrichtung 36 verarbeitet die Voreil- und
Schließwinkelbefehle zusammen mit dem Rotorpositionssignal
θ zu Zündbefehlsimpulsen PA, PB, PC und PD für die
einzelnen Statorphasen. Gemäß der folgenden ausführlichen
Beschreibung werden die Ein- und Ausschaltwinkel der
Zündbefehlsimpulse (d. h. das Statorphasenzündmuster) durch
den Mikroprozessor wahlweise gesteuert, um das Drehmoment
über einem breiten Drehzahlbereich zu optimieren. Die
Zündbefehlsimpulse werden zusammen mit dem Sollstrombefehl
ISoll durch den stromgeregelten Wechselrichter 34 zu den
gewünschten Statorphasenstromimpulsen IA, IB, IC und ID an
dem SRM 10 verarbeitet.
Im Betrieb wird das Drehmoment, das durch den geschalteten
Reluktanzmotor 10 erzeugt wird, gesteuert, indem die Stärke
des dem Motor zugeführten Stroms und die Winkel, bei denen
der Strom ein- und ausgeschaltet wird, gesteuert werden.
Bei niedriger Drehzahl wird der Sollstromwert
ISoll so verändert, daß das gewünschte Drehmoment erzielt
wird, und der Einschaltwinkel und die Impulsbreite werden
konstant gehalten. Wenn die Drehzahl zunimmt, werden die
Einschaltwinkel eingestellt, um den Wirkungsgrad des Mo
tors über die Voreilwinkeleinstellung zu maximieren. Bei
höheren Drehzahlen geht die Stromsteuerung verloren und
das Drehmoment wird eingestellt, indem die Ein- und Aus
schaltwinkel der Phasenschaltbefehlsimpulse auf die Vor
eil- und Verweilzeitbefehle hin, die aus dem Mikroprozes
sor empfangen werden, eingestellt werden.
Zum Ändern der Richtung des durch den Motor erzeugten
Drehmoments wird der Voreilwinkel so programmiert, daß der
Zündimpuls auf der entgegengesetzten Seite der ausgerich
teten Position von Statorpol und Rotorpol positioniert
wird. Das gestattet umgekehrten Betrieb oder die Verwen
dung des Motors als Generator.
Die Kommutierungseinrichtung nach den beschriebenen Aus
führungsbeispielen nach der Erfindung nimmt dem Mikro
prozessor die beschriebene Kommutierungsfunktion ab und
erleichtert die "Echtzeit"-Einstellung der Lage und der
Impulsbreite des Statorphasenzündmusters als Funktion der
Rotorposition.
Fig. 3 zeigt eine erste Ausführungsform der Kommutierungs
einrichtung nach der Erfindung. Dort wird ein nicht
flüchtiger Speicher 42 benutzt, vorzugsweise ein Festwert
speicher (ROM). Der Speicher 42 dient zum Speichern von
mehreren Standard-Zündbefehlsimpulsmustern. Jedes Muster
enthält eine Sequenz von Zündimpulsen über einem elek
trischen Zyklus des Antriebs, und jeder Impuls eines
besonderen Musters hat vorzugsweise die gleiche Dauer und
einen Einschaltwinkel, der einer anderen Ausgangsrotor
position entspricht. Die verschiedenen Muster unterscheiden
sich vorzugsweise nur in der Impulsbreite ihrer Impulse.
Vorzugsweise ist in dem Speicher 42 jedes Impulsmuster in
Form von Wörtern an adressierbaren Speicherplätzen abge
speichert. Jedes Wort repräsentiert den geschalteten Zu
stand sämtlicher Phasen des Motors in einer besonderen Ro
torposition, und jeder adressierbare Speicherplatz reprä
sentiert eine andere Rotorposition für den elektrischen
Zyklus des Motors. Somit entspricht jeder eindeutigen ROM-
Adresse ein Rotorwinkel, und jedes Wort des ROM enthält ein
Muster von Bits (Einsen und Nullen), die den Statorschalt
zuständen für diesen Rotorwinkel entsprechen. Die Werte
eines bestimmten Bits in den Wörtern beschreiben deshalb
den Zündimpuls für eine besondere Statorphase, wenn die
ROM-Adresse über ihrem vollen Bereich verändert wird. Das
ist durch einen Impuls 50 in Fig. 4 veranschaulicht, der
den Wert eines bestimmten Bitplatzes eines N-Wort-ROM an
jeder Adresse zeigt (d. h. den Rotorwinkel).
Der in Fig. 3 gezeigte ROM ist vier Bits breit, weshalb
jeder geschaltete Reluktanzmotor, der bis zu vier Phasen
hat, zusammen mit diesem ROM benutzt werden kann. Das Er
weitern der Anordnung auf Motoren mit mehr als vier Phasen
erfordert lediglich einen ROM mit größerer Kapazität.
Die gewünschte Rotorwinkelpositionsauflösung und die elek
trische Periode des anzusteuernden Motors bestimmen die
Anzahl von adressierbaren Speicherplätzen, die benötigt
werden, um ein einzelnes Standardzündmuster zu speichern.
Beispielsweise braucht bei einem dreiphasigen System, bei
dem ein 10-Bit-Drehmelder benutzt wird (d. h. eine Auflösung
von 0,35156°), nur ein Quadrant (90°) von Zünddaten ge
speichert zu werden. Die Auflösung (10 Bits) und die elek
trische Periode (90°) legen gemeinsam die Größe des
Speichers fest, der zum Speichern des Musters benötigt
wird. In diesem Fall ist, da 90° ein Viertel einer
Umdrehung oder gleich acht Bits ist, ein 256-Wort-ROM zum
Speichern des Musters nötig.
Um eine beliebige Lage der Zündbefehlsimpulse zu gestatten,
enthält die Kommutierungseinrichtung eine digitale Summier
einrichtung 44 bekannter Art, welche das digitale
Positionssignal θ zu einem zweiten Digitalsignal SADV
addiert, das den gewünschten Voreilwinkel repräsentiert, um
ein zusammengesetztes Adreßsignal SADR zum Auslesen von
Information aus dem ROM 42 in Synchronismus mit der augen
blicklichen Rotorposition zu erzeugen. Der Voreilwinkel
verschiebt tatsächlich den abgefühlten Maschinenrotorwinkel
um irgendein gewünschtes Ausmaß und somit den Speicherplatz
der Impulse in dem Standard-Zündmuster, das durch den ROM
erzeugt wird, in demselben Ausmaß ab deren Ausgangs
position. Ein positiver Voreilwinkel bewirkt, daß das Zün
den bei einem früheren Winkel erfolgt, und ein negativer
Winkel verzögert das Zünden. Das digitale Voreilwinkel
signal SADV wird vorzugsweise durch ein Voreilregister oder
einen Voreilzwischenspeicher 46 geliefert, der den Voreil
befehl aus einem Ausgang des Mikroprozessors 32 empfängt.
Das Verändern der Impulsbreite des Zündmusters erfolgt,
indem Zündmuster gespeichert werden, die in verschiedenen
ROM-Abschnitten nur in der Impulsbreite variieren. Bei
spielsweise könnte in dem 3-Phasen-System, das oben er
läutert ist, ein 1K-ROM benutzt werden, um vier verschiede
ne Zündmuster zu speichern. Das von dem Mikroprozessor 32
stammende Schließwinkelsignal (in Fig. 2 gezeigt) wird der
Kommutierungseinrichtung 36 aus einer Schließwinkelein
richtung oder Schließwinkelregister 48 (gezeigt in Fig. 3)
zugeführt. Ein Digitalsignal SDW aus der Schließwinkel
einrichtung 48 kann dann benutzt werden, um das Zündmuster
innerhalb des ROM auszuwählen, das zu irgendeiner be
stimmten Zeit in Abhängigkeit von der gewünschten Impuls
breite adressiert werden soll. Die Größe des ROM wird dann
durch den Abstand und den Bereich der gewünschten Impuls
breiten bestimmt.
Fig. 4 zeigt grafisch den Standard-Zündbefehlsimpuls 50 für
eine einzelne Statorphase, der als Beispiel einen Ein
schaltwinkel von 60° und eine Impulsbreite von 30° hat,
wobei mit gestrichelten Linien 52 angedeutet ist, wie bei
höheren Drehzahlen durch die Kommutierungseinrichtung der
Einschaltwinkel vorverlegt und die Impulsbreite vergrößert
werden kann.
Die Fig. 5a, 5b und 5c veranschaulichen die Wellenform
eines einzelnen Statorphasen-Stromimpulses bei niedriger,
mittlerer bzw. hoher Drehzahl bei jeweils konstantem Motor
drehmoment. In diesen Figuren repräsentiert jeweils die
vertikale Linie bei einem Rotorwinkel von 90°, die mit
"AUSGERICHTET" bezeichnet ist, die Position, in der ein
Rotorpol auf einen Statorpol der jeweiligen Statorphase
ausgerichtet ist, der Sollstromwert jeweils 400 A beträgt
und die Nennimpulsbreite des Zündimpulses 30° beträgt.
Gemäß der Darstellung in Fig. 5a ist bei niedriger Dreh
zahl, z. B. bei 1000 U/Min., der Stromimpuls praktisch eine
Rechteckschwingung. Wenn die Phase eingeschaltet wird,
steigt der Strom augenblicklich in bezug auf die Rotor
position auf den Stromsollwert an und wird auf diesen
Stromsollwert während der Dauer des Impulses geregelt. Wenn
die Phase abgeschaltet wird, fällt der Strom praktisch
augenblicklich auf Null ab. Bei solchen niedrigen Dreh
zahlen erfolgt die Drehmomentsteuerung durch Stromregelung,
und es besteht keine Notwendigkeit, die Impulsbreite zu
ändern oder die Einschaltposition vorzuverlegen.
Wenn die Drehzahl zunimmt, was in Fig. 5b gezeigt ist, ist
ein gewisser endlicher Rotorwinkel für das Ansteigen des
Stroms auf dessen Sollwert erforderlich, nachdem die Phase
eingeschaltet worden ist. Bei solchen Drehzahlen, z. B. 9000
U/Min., wird bei dem Antrieb noch der Strom geregelt,
weshalb eine gewisse Stromwelligkeit sichtbar ist. Wenn die
Phase anschließend abgeschaltet wird, ist eine gewisse end
liche Zeit erforderlich, damit der Strom auf Null abfallen
kann. In diesem mittleren Drehzahlbereich kompensiert das
Vorverlegen der anfänglichen Einschaltposition des Stromim
pulses vorteilhafterweise die Stromanstiegszeit.
Bei hoher Drehzahl, z. B. 25000 U/Min., erfordert der Strom
mehr Zeit zum Ansteigen und erreicht nie den Stromsollwert,
weshalb keine Stromregelung erfolgt. Bei so hohen Dreh
zahlen wird die Einschaltposition weiter vorverlegt, und
die Breite des Impulses wird verändert, wie es in Fig. 5c
gezeigt ist, um das Motordrehmoment zu steuern. Über großen
Drehzahlbereichen wird daher die maximale Effizienz beim
Steuern des Motordrehmoments erzielt, indem sowohl die
Impulsposition als auch die Impulsbreite mit Hilfe der
Kommutierungseinrichtung wahlweise eingestellt wird.
Fig. 6 zeigt eine weitere Ausführungsform der Kommutie
rungseinrichtung. In dieser Ausführungsform mit drei
Statorphasen wird ein elektronisch programmierbarer Fest
speicher (EPROM) 60 als nichtflüchtiger Speicher benutzt.
Da die meisten EPROMs gegenwärtig in Breiten von 8 Bits
benutzt werden, ist es praktisch möglich, zwei Zündmuster
in demselben Wort zu speichern. Das gewünschte Muster wird
dann gewählt, indem Multiplexer 62, 64 und 66 mit zwei
Eingängen wie dargestellt benutzt werden, wobei das ge
wählte Eingangssignal an den Multiplexem eines der
Schließwinkelwortbits aus dem Schließwinkelregister 48 ist.
Im übrigen arbeitet die Kommutierungseinrichtung nach Fig.
6 auf dieselbe Weise wie die oben beschriebene Kommu
tierungseinrichtung nach Fig. 3.
Eine Prototypenanordnung gemäß dem Ausführungsbeispiel nach
Fig. 6 ist entworfen und gebaut worden, um einen dreipha
sigen ge
schalteten Reluktanzmotor zu steuern. Die Anordnung wurde
auf der Basis einer Positionssensorauflösung von 10 Bits
oder 8 Bits bei 90° entworfen (d. h. 0,35156°/Bit). Eine Im
pulsbreitenvariation war in vollen Auflösungsschritten von
null bis 45° erwünscht. Das bedeutete, daß 45/0,35156 oder
128 Zündmuster in dem EPROM gespeichert werden mußten, wo
bei jedes Muster 256 3-Bit-Wörter an Daten erforderte. Da
jedes EPROM-Wort 8 Bit breit ist, wurden nur 64 Abschnitte
des EPROM benötigt, um sämtliche 128 Zündmuster zu
speichern. Unter Verwendung der Kommutierungseinrichtung
nach den beschriebenen Ausführungsbeispielen wurde die
Drehmomentsteuerung bei Drehzahlen von bis zu 45000 U/min
mit der Prototypenanordnung erreicht.
Claims (10)
1. Digitale Steuereinheit für einen geschalteten Reluktanzmotor
(10), der mehrere unabhängige Statorphasen (PH-A, PH-B, PH-C, PH-D)
sowie einen Rotor (12) aufweist, mit einem Stromrichter (20), an den
die Statorphasen (PH-A, PH-B, PH-C, PH-D) angeschaltet sind und der
in Synchronismus mit der Rotorposition den Stromfluß durch die ein
zelnen Statorphasen (PH-A, PH-B, PH-C, PH-D) sequentiell ein- und
ausschaltet, sowie mit einem Drehgeber (38) zur Abgabe eines die
Rotorpositionen angebenden, digital codierten Positionssignals (θ)
und eines Drehzahlsignals (ω), einer Kommutierungseinrichtung (36)
und einem Mikroprozessor (32), wobei
- 1. - der Mikroprozessor (32) aufgrund des Drehzahlsignals (ω) und wei teren Signalen ein digital codiertes Voreilwinkelsignal (SADV), das die Größe der Verschiebung des Einschaltzeitpunktes der Statorphasen (PH-A, PH-B, PH-C, PH-D) in bezug auf eine festge legte Referenzposition bestimmt, und ein Schließwinkelsignal (SDW), das die Impulsbreite des den Statorphasen (PH-A, PH-B, PH- C, PH-D) zugeführten Stromflusses bestimmt, abgibt,
- 2. - die Kommutierungseinrichtung (36) das Positionssignal (θ), das
Voreilwinkelsignal (SADV) und das Schließwinkelsignal (SDW)
empfängt und daraus Zündbefehlsimpulse (PA, PB, PC, PD) zur An
steuerung der einzelnen Phasen des Stromrichters (20) erzeugt und
dazu aufweist:
- 1. eine Festspeichereinrichtung (42, 60), in der mehrere, ver schiedene Sequenzen von Zündbefehlsimpulsmustern (PA, PB, PC, PD) gespeichert sind, wobei jede Sequenz aus mehreren Digital wörtern besteht, die in jeweils einem von mehreren, durch ein Adreßsignal adressierbaren Speicherplätzen der Festspeicher einrichtung (42, 60) gespeichert sind und den Schaltzustand der Statorphasen (PH-A, PH-B, PH-C, PH-D) für eine bestimmte Rotor stellung innerhalb eines Rotorumlaufs bestimmen, wobei sich die verschiedenen Sequenzen durch die Impulsbreite der Zündbefehls impulsmuster (PA, PB, PC, PD) unterscheiden,
- 2. eine Summiereinrichtung (44), die das Positionssignal (θ) und das Voreilwinkelsignal (SADV) summiert und das Ergebnis als Adreßsignal zum Adressieren der Festwertspeichereinrichtung (42, 60) an diese anlegt, womit ein Digitalwort einer Sequenz als Zündbefehlsimpulsmuster (PA, PB, PC, PD) selektiert wird und an den Stromrichter (20) ausgegeben wird, und
- 3. eine Schließwinkeleinrichtung (48), mit welcher auswählbar ist, welche der in der Festspeichereinrichtung (42, 60) gespeicherten Sequenzen durch die Summiereinrichtung (44) selektierbar ist.
2. Steuereinheit nach Anspruch 1, wobei die in der Fest
speichereinrichtung (42, 60) gespeicherten Digitalwörter
die Schaltzustände in den Rotorpositionen für mehrere
Sequenzen darstellen, und die Kommutierungseinrichtung (36)
Multiplexereinrichtungen (62, 64, 66) aufweist, die mit dem
Mikroprozessor (32) verbunden sind und auf das Schließwin
kelsignal (SDW) ansprechen und zwischen den mehreren
Sequenzen unterscheiden.
3. Steuereinheit nach Anspruch 2, wobei die Multiplexer
einrichtungen (62, 64, 66) unter M verschiedenen Sequenzen
von Impulsen auswählen, die durch die Festspeichereinrich
tung (60) erzeugt werden, wobei M die Anzahl von verschie
denen Zündbefehlsimpulsen für jede Statorphase darstellt.
4. Steuereinheit nach Anspruch 1, wobei die Festspeicher
einrichtung (42, 60) adressierbare Speicherplätze zum Spei
chern einer Sequenz von Zündbefehlsimpulsen als Wörter ent
hält, wobei jedes Wort den Schaltzustand von sämtlichen
Phasen des Reluktanzmotors (10) in einer bestimmten Rotor
position darstellt und jeder adressierbare Speicherplatz
eine andere Rotorposition für den elektrischen Zyklus des
Reluktanzmotors (10) darstellt.
5. Steuereinheit nach Anspruch 4, wobei der Reluktanzmotor
(10) N Statorphasen aufweist und die Festspeichereinrich
tung (42, 60) wenigstens N Bit für jedes zu speichernde
Wort hat.
6. Steuereinheit nach Anspruch 5, wobei die N Bits einen
Schaltzustand einer der N Phasen darstellen.
7. Steuereinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei
die Festspeichereinrichtung (42, 60) mehrere Speicherab
schnitte enthält, die jeweils eine Sequenz von Zündbefehl
simpulsen speichern, wobei jede Sequenz sich von jeder an
deren nur in der vorbestimmten Impulsbreite der Impulse un
terscheidet.
8. Steuereinheit nach Anspruch 6, wobei der Drehgeber (38) ein
erstes Digitalsignal und ein Voreilregister (46) ein zweites Digi
talsignal liefert und die Schließwinkeleinrichtung (48) ein Schließ
winkelsignal an die Festspeichereinrichtung (42, 60) abgibt.
9. Steuereinheit nach Anspruch 7, wobei der Mikroprozessor (32)
die in das Voreilregister (46) und in die Schließwinkeleinrichtung
(48) eingebrachten Werte als Funktion der Motordrehzahl und/oder des
Soll-Drehmomentes so steuert, daß der Voreilwinkel der Impulse, der
durch die Festspeichereinrichtung (42, 60) geliefert wird, mit zu
nehmender Drehzahl zunimmt und sich die Impulsbreite als Funktion
des verlangten Drehmomentes verändert, wobei das Voreilregister (46)
und die Schließwinkeleinrichtung (48) mit Ausgängen des Mikropro
zessors (32) verbunden sind.
10. Steuereinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die An
zahl von adressierbaren Speicherplätzen in jedem Abschnitt der Fest
speichereinrichtung (60) einer gewünschten Rotorwinkelpositions
auflösung für einen elektrischen Zyklus des Reluktanzmotors (10)
entspricht und die Anzahl von Speicherabschnitten durch den Abstand
und den Bereich der gewünschten Impulsbreiten bestimmt wird.
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