DE3813130C2 - Digitale Steuereinheit für einen geschalteten Reluktanzmotor - Google Patents

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 V_d an den vier parallelen Statorphasen PH-A, PH-B, PH-C und PH-D einprägt. Die Zwischenkreisspannung V_d 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 T_A, der wie in Fig. 1b gezeigt geschaltet ist. Die Basis 25A des Transistors T_A ist mit einem Ausgang der Steuerein­ heit nach den beschriebenen Ausführungsbeispielen der Erfindung verbunden und empfängt daraus eine Schaltsteuer­ impulsfolge S_A.

Wenn der Transistor T_A eingeschaltet ist, fließt ein Phasenstrom i_A, der aus dem Zwischenkreisstrom I_d abgelei­ tet wird, durch die Statorwicklung 24A für die Phase A. Wenn der Transistor T_A 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 T_DB 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 T_A, T_B, T_C und T_D 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 V_d, den Zwischenkreisstrom I_d, ein Drehzahlsignal ω und Bedienerbefehle. Auf bekannte Weise verarbeitet der Mikroprozessor 32 diese Eingangssignale und liefert einen Sollstrombefehl I_Soll, einen Voreilwinkelbefehl und einen Schließwinkelbefehl, die so sind, daß die gewünschte SRM- Leistung erzeugt wird. Der Sollstrombefehl I_Soll 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 P_A, P_B, P_C und P_D 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 I_Soll durch den stromgeregelten Wechselrichter 34 zu den gewünschten Statorphasenstromimpulsen I_A, I_B, I_C und I_D 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 I_Soll 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 S_ADV addiert, das den gewünschten Voreilwinkel repräsentiert, um ein zusammengesetztes Adreßsignal S_ADR 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 S_ADV 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 S_DW 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 (S_ADV), 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 (S_DW), 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 (S_ADV) und das Schließwinkelsignal (S_DW) empfängt und daraus Zündbefehlsimpulse (P_A, P_B, P_C, P_D) 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 (P_A, P_B, P_C, P_D) 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 (P_A, P_B, P_C, P_D) unterscheiden,
  • 2. eine Summiereinrichtung (44), die das Positionssignal (θ) und das Voreilwinkelsignal (S_ADV) summiert und das Ergebnis als Adreßsignal zum Adressieren der Festwertspeichereinrichtung (42, 60) an diese anlegt, womit ein Digitalwort einer Sequenz als Zündbefehlsimpulsmuster (P_A, P_B, P_C, P_D) 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 (S_DW) 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.