DE3836240C2 - - Google Patents
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- DE3836240C2 DE3836240C2 DE3836240A DE3836240A DE3836240C2 DE 3836240 C2 DE3836240 C2 DE 3836240C2 DE 3836240 A DE3836240 A DE 3836240A DE 3836240 A DE3836240 A DE 3836240A DE 3836240 C2 DE3836240 C2 DE 3836240C2
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- H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
- H02P6/00—Arrangements for controlling synchronous motors or other dynamo-electric motors using electronic commutation dependent on the rotor position; Electronic commutators therefor
- H02P6/14—Electronic commutators
- H02P6/16—Circuit arrangements for detecting position
- H02P6/18—Circuit arrangements for detecting position without separate position detecting elements
- H02P6/185—Circuit arrangements for detecting position without separate position detecting elements using inductance sensing, e.g. pulse excitation
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- H02P25/00—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of AC motor or by structural details
- H02P25/02—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of AC motor or by structural details characterised by the kind of motor
- H02P25/08—Reluctance motors
- H02P25/086—Commutation
- H02P25/089—Sensorless control
Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum
Abschätzen des momentanen Rotorpositionswinkels in einem
geschalteten Reluktanzmotor gemäß dem Oberbegriff des
Patentanspruchs 1. Eine derartige Einrichtung ist aus der
US-PS 45 20 302 bekannt.
Obwohl sie seit einiger Zeit bekannt sind, ist das
Interesse an Antrieben mit geschalteten Reluktanzmotoren
seit kurzer Zeit wiedererwacht. Im Vergleich zu üblichen
Antriebssystemen mit Synchron- und Asynchronmotoren ist der
Reluktanzmotorantrieb einfach im Aufbau und wirtschaftlich.
Zusätzlich erfordert der Stromrichter, der dem
Reluktanzmotor Energie zuführt, weniger
Leistungsvorrichtungen und ist deshalb wirtschaftlicher und
zuverlässiger. In Anbetracht dieser Vorteile stellt das
Antriebssystem mit einem geschalteten Reluktanzmotor eine
attraktive Alternative für übliche Antriebssysteme dar. Es
wird erwartet, daß er eine breite Popularität bei
industriellen Applikationen finden wird.
Geschaltete Reluktanzmotoren haben üblicherweise viele Pole
oder Zähne sowohl auf dem Stator als auch auf dem Rotor,
d. h. sie sind doppelt ausgeprägt. Es gibt Phasenwicklungen
auf dem Stator, aber keine Wicklungen oder Magnete auf dem
Rotor. Jedes Paar auf einem Durchmesser gegenüberliegender
Statorpole ist in Reihe geschaltet, um eine unabhängige
Phase des mehr-phasigen geschalteten Reluktanzmotors zu
bilden.
Drehmoment wird dadurch erzeugt, daß der Strom in jeder
Phasenwicklung in einer vorbestimmten Folge eingeschaltet
wird, die mit der Winkelposition des Rotors synchronisiert
ist, so daß eine magnetische Anziehungskraft zwischen den
Rotor- und Statorpolen entsteht, die sich einander nähern.
Der Strom wird in jeder Phase ausgeschaltet, bevor die
Rotorpole, die den Statorpolen dieser Phase am nächsten
gelegen sind, sich an der Ausrichtungsposition
vorbeidrehen; anderenfalls würde die magnetische
Anziehungskraft ein negatives Moment oder ein Bremsmoment
erzeugen. Das entwickelte Drehmoment ist unabhängig von der
Richtung des Stromflusses, so daß unidirektionale
Stromimpulse, wie beispielsweise Thyristoren oder
Transistoren, verwendet werden.
Der geschaltete Reluktanzantrieb arbeitet in der Weise, daß
die Statorphasenströme in synchron mit der Rotorposition
ein- und ausgeschaltet werden. Durch richtiges Positionieren der
Zündimpulse relativ zu dem Statorwinkel können Vorwärts-
oder Rückwärtsbetrieb und Motor- oder Generatorbetrieb
erhalten werden.
Gewöhnlich wird die gewünschte Phasenstromkommutierung
dadurch erreicht, daß ein Rotorpositionssignal von einem
Wellenpositionssensor, beispielsweise einem Codierer oder
Drehmelder, verwendet wird. Aus
Kostengründen bei kleinen Antrieben und Sicherheitsgründen
bei größeren Antrieben und um die Größe, das Gewicht und
das Trägheitsmoment in allen derartigen Antrieben zu
verkleinern, ist es wünschenswert, diesen
Wellenpositionssensor zu eliminieren.
Es sind verschiedene Lösungen für eine indirekte
Rotorpositionsabtastung vorgeschlagen worden, indem
Klemmspannungen und -ströme des Motors überwacht werden.
Eine derartige Lösung, die auch als Wellenformabtastung
bezeichnet wird, hängt von Gegen-EMK-Kräften ab und ist
deshalb nicht betriebssicher bei kleinen Drehzahlen und
unwirksam bei Stillstand.
Gemäß der eingangs genannten US-PS 45 20 302 ist es
bekannt, daß die Induktivität einer Phasenwicklung von der
Rotorposition abhängig ist und sich im wesentlichen
sinusförmig von einem Maximum auf ein Minimum ändert, wenn
sich der Rotor über eine Polteilung bewegt. Gemäß dieser
Druckschrift bewirkt die Induktivitätsänderung eine
entsprechende Änderung in gewissen Charakteristiken des
Phasenstromflusses, die überwacht werden können, um eine
indirekte Anzeige der Rotorposition abzuleiten. Der
Stromfluß durch eine erregte oder nichterregte
Phasenwicklung kann überwacht werden. Bei einer
Antriebsschaltung nach Zerhackerart kann das
Charakteristikum des gemessenen Stromflusses, die
Stromanstiegszeit, die Stromverzögerungszeit oder die
Zerhackerfrequenz sein. Obwohl in der vorgenannten
Druckschrift verschiedene Implementierungen angegeben sind,
beinhalten sie offenbar alle eine Suche nach einem
bekannten, beispielsweise minimalen, Induktivitätswert auf
der Basis gemessener Phasenstromänderungen, und jede
Unklarheit in der abgetasteten Position für die
Zielinduktivität wird eliminiert, indem berücksichtigt
wird, ob die überwachte Stromflußcharakteristik mit der
Rotorposition steigt oder fällt (s. Spalte 6, Zeilen 62-65,
und Spalte 8, Zeilen 12-19, der Druckschrift). Diese Lösung
geht von der Annahme aus, daß sich der Motor in einer
gegebenen Richtung bewegt. Demzufolge würde sie nicht
wirksam sein, wenn der Motor aus dem Stillstand startet.
Diese Einschränkung ist besonders signifikant bei
Servoantriebssystemen, wo es nicht toleriert werden kann,
daß der Antrieb beim Starten ruckt.
Die indirekte Rotorpositionsabschätzlösung
gemäß der US-PS 45 20 302 wird weiterhin
in einem Papier mit dem Titel "Detection of Rotor Position
in Stepping and Switched Motors bei Monitoring of Current
Wave Forms" erörtert, das in den IEEE-Trancactions on
Industrial Electronics, Band IE-32, Nr. 3, August 1985, auf
den Seiten 215-222 veröffentlicht ist. Bei einer Anwendung
dieser Lösung auf einen Ministep-Antrieb schlagen die
Autoren dieses Papieres vor, die Zerhackungscharakteristik
des Phasenstroms in beiden nicht erregten Phasen eines
vierphasigen Motors zu überwachen. Die Autoren stellen
fest, daß es wichtig sei, "weil sich die Steigung von jeder
Induktivitätspositions-Charakteristik an dem einen Ende des
Positionsbereiches null nähert". An Zwischenpunkten in
diesem Bereich stützt sich die bekannte Lösung offenbar auf
die vorbestimmte Richtung der Rotorrotation, um
Unklarheiten in bezug auf die Rotorposition aufzulösen.
Weiterhin beschreiben die US-Patentschriften 46 11 157 und
46 42 543 eine Arbeit, die sich mit dynamisch
stabilisierenden geschalteten Reluktanzantrieben
beschäftigt, indem der mittlere Zwischenkreis-Gleichstrom
an Stelle der Wellenposition verwendet wird. Derartige
Einrichtungen sind begrenzt durch die durchschnittliche Natur
ihres Meßwertes und durch die Tendenz zum
Ruckeln beim Anlauf. Zwar sind diese bei Bläser- und
Lüfter-Applikationen anwendbar, aber nicht bei Servo-
Applikationen, wo eine präzise Drehzahl- und/oder
Positionsregelung erforderlich ist.
Die DE 25 56 809 C2 beschreibt eine Vormagnetisierung einer
nicht betriebsmäßig erregten Wicklung, die Messung der
Spannung über der Wicklung und einen Vergleich dieser
Spannung mit einer Bezugsspannung.
Bei einer Speiseschaltung für einen Reluktanzmotor gemäß
der früher angemeldeten WO 88 02 952 werden einer nicht
betriebsmäßig erregten Wicklung Spannungsimpulse kurzer
Zeitdauer zugeführt, der Strom wird nach Ablauf der
jeweiligen Pulsdauer gemessen, es wird die Induktivität
bestimmt und mit einer Bezugsinduktivität verglichen.
Schließlich ist es aus der früher angemeldeten EP 02 76 625 A2
bekannt, den Strom Δi nach einer vorgegebenen
Zeit Δt unmittelbar nach dem Einschalten einer
betriebsmäßig erregten Wicklung zu bestimmen und mit einem
vorgegebenen Wert zu vergleichen.
Anders als bei Ministep-Antrieben gibt es bei geschalteten
Reluktanzmotoren nicht immer zwei nicht erregte
Statorphasen, die überwacht werden können. Weiterhin gibt
es Situationen, in denen es wesentlich ist, die
Rotorposition zu bestimmen, ohne daß die Richtung der
Rotorposition bekannt ist oder angenommen werden kann, wie
beispielsweise beim Starten eines Servoantriebs.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Einrichtung der eingangs
genannten Art so auszugestalten, daß die augenblickliche
Rotorposition unabhängig von der Motordrehzahl oder
-richtung und ohne einen Rotorpositionssensor mit hoher
Genauigkeit abgeschätzt werden kann.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Maßnahmen des
Patentanspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den
Unteransprüchen gekennzeichnet.
Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen
insbesondere darin, daß die erfindungsgemäße Einrichtung
ermittelt, welche Statorphasen des geschalteten
Reluktanzmotors gegenwärtig nicht erregt sind und jeder
nicht erregten Phasen einen Abtast- bzw. Sampelimpuls
zuführt. Der Sampelimpuls hat eine kurze Dauer, was einen
vernachlässigbaren Aufbau an Phasenstrom und eine
vernachlässigbare Bewegung des Rotors zur Folge hat. Die
Zufuhr des Sampelimpulses hat eine Stromänderung in jeder
der nicht erregten Phasen zur Folge. Die Änderung des
Stroms über einer definierten Sampelperiode wird durch
einen Stromsensor abgetastet, der jeder unerregten Phase
zugeordnet ist. Aus der abgetasteten Stromänderung wird ein
Induktivitäts-Schätzwert für jede unerregte Phase
abgeleitet und daraus werden, entweder direkt oder aus
daraus abgeleiteten geschätzten Induktivitätswerten, zwei
geschätzte Rotorwinkel, die dem geschätzten
Induktivitätswert für jede unerregte Phase entsprechen,
ermittelt. Ein Winkelkombinierer verschiebt zwei geschätzte
Winkel, die einer derartigen unerregten Phase zugeordnet
sind, um einen Wert, der gleich einer bekannten
Phasenverschiebung von einer zweiten, unerregten Phase ist,
und vergleicht die zwei verschobenen Schätzwinkel mit den
zwei Schätzwinkeln für die zweite derartige Phase, um zu
ermitteln, welcher der Winkel paßt. Dann wird eine
geschätzte augenblickliche Rotorwinkelposition gleich dem
passenden Winkel erzeugt. Ein Extrapolator generiert eine
extrapolierte Rotorwinkelposition und erzeugt ein
Ausgangssignal, das die extrapolierte Rotorposition
anstelle der geschätzten augenblicklichen Position
darstellt, wenn eine der Statorphasen des Motors eine
Zustandsänderung während der Sampelperiode durchläuft oder
wenn die zwei nicht erregten Motorphasen nicht während der
Sampelperiode unerregt bleiben.
Die vorstehend beschriebene Einrichtung kann
vorteilhafterweise durch einen einzelnen Mikroprozessor
implementiert werden. Weiterhin kann die Einrichtung für
die Rotorpositionsschätzung mit einem Regler und einem
Wechselrichter kombiniert werden, um eine Regelschleife für
einen geschalteten Reluktanzmotor zu bilden.
Die Erfindung und die dadurch erzielbaren Vorteile werden
nun anhand der Beschreibung und Zeichnung von
Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Fig. 1 ist ein Blockdiagramm von einem bekannten
Reluktanzmotor-Antriebssystem, das einen
Rotorpositionssensor verwendet.
Fig. 2 ist ein Kurvenbild und zeigt die Induktivität als
eine Funktion der Rotorposition für drei Statorphasen.
Fig. 3 ist ein Blockdiagramm von einer Regeleinrichtung
für einen geschalteten Reluktanzmotor mit einer den
Rotorpositionswinkel abschätzenden Einrichtung gemäß einem
Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Fig. 4 ist ein Blockdiagramm von einem Winkelkombinierer
und -extrapolartor für die erfindungsgemäße Einrichtung.
Fig. 1 zeigt ein bekanntes Antriebssystem für einen
geschalteten Reluktanzmotor 10, der einen Positionssensor
12 zum Messen der Winkelposition des Rotors 14 aufweist.
Das Ausgangssignal aus dem Positionssensor 12 wird in einem
Signalformer 16
konditioniert, der an einen Regler 18 ein elektrisches
Signal liefert, das den Rotorwinkel darstellt. In bekannter
Weise liefert der Regler 18 entsprechend einem Fehlersignal
in einer Steuervorrichtung erzeugte Kommutierungssignale
an einen Wechselrichter (Inverter) 20, der seinerseits Treibersignale
für den Motor 10 erzeugt. Üblicherweise sind Stromsensoren,
die mit einer nicht gezeigten Stromregelschaltung im Regler
verbunden sind, zur Regelung des dem Motor zugeführten Stroms
vorgesehen.
Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel der Erfindung werden
der Wellenpositionssensor und der Signalumformer des bekannten
Systems eliminiert, und statt dessen wird eine geschätzte
Rotorwinkelposition, die durch einen Positionsschätzer generiert
wird, als ein Eingangssignal an den Regler
geliefert.
Da ein geschalteter Reluktanzmotor sowohl am Rotor als auch am
Stator ausgeprägte Pole aufweist, ist die von den Klemmen der
Statorphasenwicklungen gesehene Induktivität eine strenge Funktion
der Rotorposition. Da eine oder mehrere Phasenwicklungen
zu irgendeiner gegebenen Zeit ausgeschaltet wird (werden), ist
es möglich, die Wicklung mit einem kleinen Signalpegel zu sondieren
und ihre Eingangsimpedanz zu ermitteln. Diese Information,
zusammen mit der Kenntnis der funktionalen Relation
zwischen Induktivität und Position, macht es möglich, die Winkelposition
des Rotors allein aus elektrischen Messungen zu ermitteln,
wobei das Erfordernis für einen Wellenpositionssensor
eliminiert wird.
Die augenblickliche Relation zwischen Spannung v und Strom I in
einer umlaufenden Maschine ist gegeben durch
wobei Ψ die Flußverkettung darstellt oder, in Stromgrößen:
wobei L die Maschineninduktivität, gesehen von den Statorklemmen,
und R der Statorwiderstand sind. Da in dem geschalteten
Reluktanzmotor die Induktivität L eine Funktion der Position
ist:
und da die Rotordrehzahl ω = ist, gilt:
In einer Phase, die einer Einschaltung unmittelbar folgt, ist
der Phasenstrom klein, und somit sind die Terme IR-Abfall und
Gegen-EMK in der vorstehenden Gleichung (4) klein. Die Gleichung
der Klemmenspannung reduziert sich dann auf:
Die erfindungsgemäß verwendete allgemeine Strategie, um die
Rotorposition zu schätzen, besteht darin, eine nicht erregte
Phase für eine Zeitperiode zu zünden, die kurz genug ist, damit
der Stromaufbau und die Rotorbewegung vernachlässigbar
sind. In diesem Fall kann die Phaseninduktivität angenähert
werden:
wobei das Symbol "ˆ" einen Schätzwert bezeichnet.
Unter Verwendung der so geschätzten Induktivität kann die Rotorposition
wie folgt geschätzt werden:
wobei
L = G(R) (8)
Die Idee, die Steigung des anfänglichen Stromanstiegs in einer
nicht erregten Phase zur Ermittlung der Induktivität und somit
der Rotorposition zu verwenden, ist bekannt. Es wurde jedoch
gefunden, daß, um die Rotorposition eindeutig zu ermitteln, wenn die
Drehrichtung der Motorbewegung nicht bekannt ist, es notwendig
ist, mehr als eine Phase abzutasten bzw. zu sampeln. Dies
liegt daran, daß die Funktion = G nicht einen einzigen
Wert hat. Diese Funktion ist vielmehr periodisch, so daß Messungen
aus zwei Phasen ausreichend sind, um die Rotorposition
eindeutig zu bestimmen.
Fig. 2 ist eine Kurvendarstellung und zeigt die Phaseninduktivität
L als eine Funktion der Rotorposition R für einen dreiphasigen
geschalteten Reluktanzmotor. Die Phasen sind mit C, A
und B bezeichnet, und der Induktivitätswert, der jeder der Phasen
C, A bzw. B zugeordnet ist, trägt einen entsprechenden Index,
obwohl in Fig. 2 nur LC und LA gezeigt sind, da die Figur
einen Augenblick darstellt, in dem die Phasen C und A nicht
erregt sind. Wie aus Fig. 2 deutlich wird, gibt es, abgesehen
von den Extremwerten der Induktivitätskurve, für jede Phase zwei
mögliche Rotorwinkel, die jedem Induktivitätswert zugeordnet
sind, beispielsweise die Winkel RC1 und RC2 mit dem Induktivitätswert
Lc. Um also eine eindeutige geschätzte Rotorposition
zu erhalten, werden zwei Messungen in verschiedenen Phasen kombiniert.
Wenn beispielsweise zu einem bestimmten Augenblick die
geschätzte Induktivität für die nicht erregte Phase C LC ist
und der geschätzte Induktivitätswert für die nicht erregte Phase
A LA ist, dann sind die zwei geschätzten Winkel, die diesen
entsprechenden Phasen zugeordnet sind, RC 1 und RC 2 bzw. RA 1 und
RA 2. Wie aus Fig. 2 zu ersehen ist, stimmt einer der Winkel der
Phase A, d. h. RA 1, und einer der Winkel der Phase C, d. h. RC 2, überein
und die anderen Winkel stimmen nicht überein. Die zusammenpassenden
Winkel stellen die tatsächliche Rotorposition dar.
In der Praxis wird dieser Winkelkombinierungsschritt dadurch
ausgeführt, daß beide Winkelschätzwerte aus beiden unerregten
Phasen erhalten werden, die Winkelschätzwerte der einen Phase
um die Winkelverschiebung zwischen den Phasen verschoben werden
und dann die Ergebnisse verglichen werden, um zu ermitteln,
welche Winkel zusammenpassen.
In einem geschalteten Reluktanzmotor kann es Rotorpositionen
geben, wo zwei Statorphasen nicht für eine Probenentnahme bzw.
für ein Sampeln frei sind, da der Strom in der einen Phase
noch abklingt und der Strom in der anderen Phase sich noch aufbaut;
mit anderen Worten ist nur eine Phase, beispielsweise in
einer dreiphasigen Maschine, vollständig unerregt. Unter diesen
Umständen, wo zwei Phasen für eine Probenentnahme nicht
zur Verfügung stehen, wird erfindungsgemäß der Winkel extrapoliert,
bis eine Probenentnahme möglich ist. Wie im folgenden
noch näher erläutert wird, verwendet der bevorzugte Extrapolator
einen rekursiven Schätzer kleinster Quadrate mit exponentieller
Vernachlässigung, um die Rotordrehzahl abzuschätzen.
Wenn eine der aktiven Phasen abschaltet während einer Stromabtastung
mit niedrigem Pegel in den inaktiven Phasen, tritt
eine Rauschnadel in dem abgetasteten Signal auf. Demzufolge
verwendet die Erfindung eine Extrapolation immer dann, wenn
eine Zustandsänderung in einer erregten Phase während der Stromsampelperiode
auftritt.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines Positionsschätzers 30
gemäß der Erfindung ist in Fig. 3 gezeigt, in der eine Regeleinrichtung
für einen beispielsweise dreiphasigen geschalteten
Reluktanzmotor 10 gezeigt ist. Diese Regeleinrichtung arbeitet
in dem gleichen Grundbetrieb, wie er vorstehend in Verbindung
mit Fig. 1 beschrieben wurde, außer daß dem Regler 18 ein
geschätzter augenblicklicher Rotorwinkel von dem Positionsschätzer
30 zugeführt wird und der Wechselrichter (Inverter) 20
nicht nur mit Kommutierungssignalen auf der Leitung 32 von dem
Regler 18, sondern auch mit einen kleinen Pegel aufweisenden
Abtastimpulsen kurzer Dauer auf der Leitung 34 von dem Positionsschätzer
30 gespeist wird. Die Kommutierungsbefehle auf
der Leitung 32 und die Abtastimpulse auf der Leitung 34 durchlaufen
ein OR-Gatter 36, bevor sie in den Inverter 20 eintreten.
Wie im folgenden noch näher beschrieben wird, werden
die Kommutierungsbefehle auch durch eine Steuerlogik innerhalb
des Positionsschätzers 30 überwacht.
In bezug auf die Zeichnung sei darauf hingewiesen, daß in den
verschiedenen Figuren einander entsprechende Elemente mit gleichen
Bezugszahlen versehen sind. Weiterhin sind der Klarheit
halber Dreifach-Leitungen gelegentlich als eine einzelne Leitung
mit einem Strich und der Zahl 3 versehen.
Wie aus Fig. 3 zu ersehen ist, sind Stromsensoren 38, 40 und
42 für die Phasen A, B bzw. C zwischen dem Ausgang des Inverters
20 und dem Eingang des Motors 10 angeordnet. Der abgetastete
Strom IA, IB und IC für jede entsprechende Phase fließt
durch einen Analog/Digital-Wandler 44, 46 bzw. 48 und wird dann
durch den Positionsschätzer 30 verarbeitet, wie nachfolgend
näher beschrieben wird. In ähnlicher Weise wird eine Zwischenkreis-
Gleichspannung VDC vom Inverter 20 durch einen Analog/
Digital-Wandler 50 geleitet und dem Positionsschätzer 30 zugeführt.
Der Positionsschätzer 30 enthält eine die Impedanz abtastende
Steuerlogik 52, die selektiv die verschiedenen Analog/Digital-
Wandler aktiviert. Die Steuerlogik 52 überwacht auch die Kommutierungsbefehle
auf der Leitung 32 und die Phasenstromwerte
auf der Leitung 54, um zu ermitteln, welche Phasen zu verschiedenen
Zeitpunkten unerregt sind. Ein Zeitsteuergerät (Timer) 56
ist mit der Steuerlogik verbunden, um die Zeitsteuerung zu erleichtern.
Die Steuerlogik 52 liefert auch ein elektrisches Signal, das
die Spannung V darstellt, an einen Rechnerblock 58. Dieser
Rechnerblock leitet einen geschätzten Induktivitätswert A für
die Phase A gemäß der Gleichung (6) ab und liefert diesen Wert
an einen Funktionsblock 60, der in bekannter Weise, beispielsweise
durch eine Nachschlagetabelle, die zwei geschätzten Rotorwinkeln
A 1 und A 2 feststellt, die dem geschätzten Induktivitätswert
A entspricht. Die zwei geschätzten Winkel für
die Phase A werden dann an einen Winkelkombinierer/Extrapolartor
62 geliefert.
In den Blöcken, die in Fig. 3 mit Kanal B und Kanal C bezeichnet
sind, werden ähnliche Operationen durchgeführt wie in den
Blöcken 58 und 60 für die Phasen B bzw. C, wobei zwei geschätzte
Winkel B 1 und B 2 für Phase B und zwei geschätzte Winkel
C 1, C 2 für Phase C erzeugt werden. Die zwei geschätzten Winkel
B und C werden wie diejenigen für die Phase A dem Winkelkombinierer/
Extrapolator 62 zugeführt. Der Winkelkombinierer/
Extrapolator vereinigt in einer nachfolgend zu beschreibenden
Weise die Paare der geschätzten Winkel für die unterschiedlichen
Phasen und erzeugt daraus eine augenblickliche Rotorposition
zur Verwendung durch den Regler 18.
Im Betrieb überwacht die Impedanzabtast-Logikschaltung 52 die
durch den Regler 18 erzeugten Kommutierungsbefehle und den
Phasenstrom auf der Leitung 54, um festzustellen, welche Phasen
zu Beginn nicht erregt sind. Die Steuerlogik 52 liefert
dann einen Impuls mit kurzer Dauer und niedrigem Pegel auf
der Leitung 34 über das OR-Gatter 36 an den Inverter 20 für
jede unerregte Phase. Diese Abtastimpulse bewirken, daß der
Inverter die nicht erregten Phasen für eine sehr kurze Zeitperiode
durchschaltet. Die Stromsensoren 38, 40 oder 42, die
jeder der entsprechenden unerregten Phasen zugeordnet sind,
sprechen auf den Beginn des Stromflusses an, der in den zuvor
nicht erregten Phasen gemäß der induktiven Relation anzusteigen
beginnt. Nach einer vorbestimmten Zeit, die in der
Steuerlogik im voraus eingestellt ist, nach dem Start der Erregung
einer zuvor nicht erregten Phase mißt die Impedanzabtaststeuerlogik
den Strom in jeder dieser Phasen und schaltet
dann die Phasen durch die Leitung 34 aus.
Der abgetastete Strom zu Beginn und am Ende eines Sampelintervalls
(in dem der Abtastimpuls den nicht erregten Phasen
zugeführt wird) wird zusammen mit der gemessenen Zwischenkreis-
Gleichspannung V in dem Rechnerblock 58 für Phase A und in
seinen Gegenstücken in den Kanälen B bzw. C für die Phasen A,
B bzw. C verarbeitet, um einen geschätzten Induktivitätswert für
jeden entsprechenden nicht erregten Kanal zu erzeugen. Ein
Signal, das den geschätzten Induktivitätswert für jede entsprechende
unerregte Phase darstellt, wird dem Funktionsblock
60 und seinen Gegenstücken in den Kanälen B bzw. C zugeführt,
und dann werden die zwei möglichen Rotorpositionen, die dem
geschätzten Induktivitätswert entsprechen, für jeden unerregten
Kanal festgestellt. Ein Signal, das zwei geschätzte Winkel
für jede unerregte Phase darstellt, wird dem Winkelkombinierer/
Extrapolator 62 zugeführt, dessen Betrieb durch die Impedanzabtast-
Steuerlogik 52 über die Leitung 64 gesteuert wird.
In dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 ermittelt die
Steuerlogik 52 den Zustand von jedem Kommutierungsbefehl
am Ende der Sampelperiode, um zu ermitteln, ob eine Zustandsänderung
in irgendeiner Statorphase während der Sampelperiode
aufgetreten ist. Wenn keine Zustandsänderung aufgetreten
ist und wenn zwei Phasen während der gesamten Sampelperiode
unerregt gewesen sind, verknüpft ein Winkelkombinierer
66 in dem Winkelkombinierer/Extrapolator 62 die
geschätzten Winkel aus den zwei unerregten Phasen, um eine abgetastete
momentane Rotorposition S zu erzeugen. Die Winkel
werden dadurch kombiniert bzw. verknüpft, daß zunächst ein
Satz von Winkeln für eine der unerregten Phasen um die bekannte
Phasenverschiebung zwischen den zwei Phasen verschoben
wird, und dann die verschobenen Winkel mit dem Satz geschätzter
Winkel für die zweite Phase verglichen werden, um zu ermitteln,
welche Winkel zusammenpassen. Die zusammenpassenden Winkel definieren
die abgetastete momentane Rotorposition.
Parallel zu dem Winkelkombinierer 66 arbeitet ein Schätzglied
68. Das Schätzglied ist vorzugsweise ein rekursiver Schätzer
kleinster Quadrate mit exponentieller Vernachlässigung, der
im wesentlichen der Maschinendrehzahl ω folgt. Der Schätzer
wird kontinuierlich aktualisiert und löscht aus dem Speicher
oder "vergißt" bzw. vernachlässigt alte Daten exponentiell. Derartige
Schätzglieder sind bekannt und in Lehrbüchern beschrieben
und werden deshalb hier nicht näher erläutert. Die Ausgangsgröße
des Schätzgliedes 68 wird dem Extrapolator 70 zugeführt,
der in bekannter Weise eine extrapolierte Rotorposition
RE auf der Basis der zuvor abgetasteten Rotorposition und
der geschätzten Drehzahl und der vergangenen Zeit ermittelt.
Die Steuerlogik 52 steuert einen Schalter 72, um die extrapolierte
Rotorposition durch eine abgetastete Rotorposition zu
ersetzen, wenn eine Zustandsänderung in irgendeiner Phase auftritt
oder wenn zwei zunächst unerregte Phasen nicht während
der gesamten Sampelperiode unerregt bleiben. Das Ausgangssignal
aus dem Schalter 72 stellt die gewünschte momentane Rotorposition
dar.
Die Elemente des in Fig. 3 gezeigten Positionsschätzers 30
werden vorzugsweise durch einen einzelnen Hochgeschwindigkeits-
Mikroprozessor implementiert, wie beispielsweise der Type TMS
320 von Texas Instruments. Ein Computerprogramm zum Implementieren
des Verfahrens gemäß der Erfindung sieht wie folgt aus:
Positionsschätzprogramm | |||
Sampelintervall ist T | |||
Reglerzündsignalvektor ist X | |||
Sampelabtastzeit ist T₁ | Phasenstromvektor ist I | ||
Zyklus: @ | T = 0; | Takt starten | |
read (X₁); | lies Reglerzündanfangsstatus | ||
read (I); | lies Phasenströme | ||
Xs = f (I, X₁); | ermittle, ob Phasenabtastung gesetzt ist | ||
fire (Xs); | zünde Abtastphasen | ||
wait (T₁) | warte hier eine Weile | ||
read (Is); | lies Abtastströme | ||
unfire (Xs); | Phasenabtastung abschalten | ||
read (X₂); | lies Reglerzündungsendzustand | ||
if X₁ = X₂ then | wenn Zustand verändert, ignoriere Eingangsgrößen | ||
extrapolate (R); else @ | find R, ω from Is; @ | End if output (R) | liefere Ergebnisse |
wait (T-t); | warte bis zur nächsten Zeit | ||
End. |
Es wird nun eine kurze Beschreibung des vorstehenden Programms
gegeben. Der Prozeß beginnt damit, daß alles initialisiert wird,
und dann werden die Reglerzustände gelesen. Insbesondere wird
gelesen, welche Phasen der Regler eingeschaltet hat, und ferner
werden die Phasenströme gelesen. Als nächstes wird der Phasenabtastsatz
ermittelt, d. h. welche Phasen unerregt sind und demzufolge
zur Abtastung verfügbar sind. Anschließend werden den
verfügbaren Phasen Abtastimpulse zugeführt, es wird für ein
spezifisches Intervall gewartet und dann werden die Phasenströme
wieder gelesen. Die Abtastimpulse werden als nächstes
gesperrt bzw. ausgeschaltet, und die Zündendzustände des Reglers
werden gelesen. Eine Änderung in dem Reglerzündzustand gibt an,
daß eine der Phasen entweder ein- oder ausgeschaltet ist, und
daß ein Rauschen in der Messung ist; dementsprechend werden
die abgetasteten Auslesungen ignoriert und eine Extrapolation
implementiert. Der "if"-Befehl diktiert, daß der Winkel extrapoliert
wird, wenn der Anfangszustand und der Endzustand der
Reglerzündung für irgendeine Phase nicht die gleichen sind;
anderenfalls werden die Rotorwinkelposition und die Drehzahl
aus dem abgetasteten Stromset gefunden, ein Signal, das die
Rotorwinkelposition darstellt, wird erzeugt und nach einem kurzen
Intervall wird der Prozeß wiederholt.
Die folgende Relation kann verwendet werden, um den abgetasteten
Phasensatz zu ermitteln:
Function f (I, X) ermittle Phasenabtastsatz
Begin
for j: = 1 to number of phases
XS (j) = X (j) = OFF and |I (j) | < Toleranz
End;
End.
Begin
for j: = 1 to number of phases
XS (j) = X (j) = OFF and |I (j) | < Toleranz
End;
End.
Die Kriterien, die eine Phase zu einem Element des Abtastsatzes
machen, sind die, daß die Phase ausgeschaltet ist, d. h. der
Regler ist nicht gezündet, und daß der Strom in der Phase null
ist oder kleiner als ein gewisser Toleranzwert. Diese beiden
Bedingungen müssen erfüllt sein, um eine Phase als nichterregt
zu qualifizieren. Jede Phase wird gecheckt, um zu sehen, ob sie
qualifiziert ist.
Die folgende Extrapolationroutine kann verwendet werden, um
einen neuen Winkel aus einem vorhergehenden Winkel zu ermitteln,
wenn eine Abtastung nicht angewendet werden kann:
Procedure Extrapolate
Begin
NEW: = OLD + ω*T konstante Geschwindigkeit annehmen
End.
Begin
NEW: = OLD + ω*T konstante Geschwindigkeit annehmen
End.
Die Geschwindigkeit, die in dieser Routine mit ω bezeichnet ist,
wird aus dem Abschätzungsglied kleinster Quadrate abgeleitet.
Schließlich wird nachfolgend eine vereinfachte Routine zum Finden
von aus dem geschätzten Induktivitätswert zahlreicher
unerregter Phasen angegeben:
Procedure Find from
Begin
Begin
Rest: = (L) Nachschlagetabelle für mögliche R′s
select correct aus est für 2 Phasen
End.
select correct aus est für 2 Phasen
End.
Aus der vorstehenden Beschreibung wird deutlich, daß eine neue
und verbesserte Einrichtung zum genauen Abschätzen
der momentanen Rotorposition aus den Anschlüssen eines
geschalteten Reluktanzmotors entwickelt wurde. Der geschaltete
Reluktanzmotor findet Anwendung als ein Servoantrieb für Luftfahrt-
Anwendungen aufgrund seiner Einfachheit und Robustheit.
Diese Anwendungsfälle erfordern häufig präzise Positionsinformation
für eine Servoregelung. Die Eliminierung des Wellenpositionssensors
aus dem geschalteten Reluktanzmotor in diesen
Anwendungsfällen vergrößert seine Betriebssicherheit und verkleinert
sein Gewicht, zwei Kriterien von extremer Wichtigkeit
für die Luftfahrtindustrie. Darüber hinaus vergrößert die
Eliminierung des Wellenpositionssensors die Attraktivität des
geschalteten Reluktanzmotors für industrielle Antriebsanwendungen,
wo Positionssensoren Kosten verursachen und die Betriebssicherheit
verringern. Das Positionsabschätzglied gemäß
der Erfindung erfüllt diese und alle anderen, eingangs genannten
Aufgaben.
Es sind jedoch noch weitere Ausführungsbeispiele möglich. Beispielsweise
kann der Start der Sampelperiode nach dem Zuführen
des Abtastimpulses leicht verzögert werden, um Wirbelstromeffekte
zu vermeiden. Wenn Änderungen in der Zwischenkreis-Gleichspannung
ignoriert werden oder innerhalb einer zulässigen Toleranz
bleiben, können die zwei geschätzten Winkel für jede unerregte
Phase auch direkt aus der abgetasteten Stromänderung
ermittelt werden, d. h. ohne Ableitung eines geschätzten Induktivitätswertes.
Claims (8)
1. Einrichtung zum Abschätzen des momentanen Rotorpositionswinkels
in einem geschalteten Reluktanzmotor mit wenigstens
drei Statorphasen, die selektiv synchron mit der Rotorposition
erregbar sind, wobei eine betriebsstrommäßig
nicht erregte Phase mit Stromimpulsen beaufschlagt wird,
aus deren zeitlicher Änderung der Rotorpositionswinkel
ermittelt wird,
gekennzeichnet durch
eine die Impedanz abtastende Steuerlogik (52) zum Ermitteln, welche der Statorphasen gegenwärtig unerregt sind, und zum Anlegen eines Sampelimpulses kurzer Dauer an jede der unerregten Phasen,
Stromabtastmittel (38, 40, 42) zum Abtasten einer Stromänderung über einer definierten Sampelperiode für jede der unerregten Phasen bei Anlegen des Sampelimpulses an jede der unerregten Phasen,
Signalverarbeitungsmittel (58, 60) zum Bestimmen eines Paares von geschätzten Rotorpositionswinkeln aus der am Motor anliegenden Spannung (V) und entsprechend der abgetasteten Stromänderung für jede der unerregten Phasen und einen Winkelkombinierer (62) zum Verschieben von zwei geschätzten Rotorpositionswinkeln für eine der unerregten Phasen um einen Wert, der gleich einer Phasenverschiebung von einer zweiten unerregten Phase ist, zum Vergleichen des verschobenen Paares geschätzter Rotorpositionswinkel mit dem Paar geschätzter Rotorpositionswinkel für die zweite unerregte Phase, um zu ermitteln, welcher der Rotorpositionswinkel paßt, und zum Erzeugen einer Anzeige des geschätzten momentanen Rotorpositionswinkels gleich dem passenden Rotorpositionswinkel.
eine die Impedanz abtastende Steuerlogik (52) zum Ermitteln, welche der Statorphasen gegenwärtig unerregt sind, und zum Anlegen eines Sampelimpulses kurzer Dauer an jede der unerregten Phasen,
Stromabtastmittel (38, 40, 42) zum Abtasten einer Stromänderung über einer definierten Sampelperiode für jede der unerregten Phasen bei Anlegen des Sampelimpulses an jede der unerregten Phasen,
Signalverarbeitungsmittel (58, 60) zum Bestimmen eines Paares von geschätzten Rotorpositionswinkeln aus der am Motor anliegenden Spannung (V) und entsprechend der abgetasteten Stromänderung für jede der unerregten Phasen und einen Winkelkombinierer (62) zum Verschieben von zwei geschätzten Rotorpositionswinkeln für eine der unerregten Phasen um einen Wert, der gleich einer Phasenverschiebung von einer zweiten unerregten Phase ist, zum Vergleichen des verschobenen Paares geschätzter Rotorpositionswinkel mit dem Paar geschätzter Rotorpositionswinkel für die zweite unerregte Phase, um zu ermitteln, welcher der Rotorpositionswinkel paßt, und zum Erzeugen einer Anzeige des geschätzten momentanen Rotorpositionswinkels gleich dem passenden Rotorpositionswinkel.
2. Einrichtung nach Anspruch 1,
gekennzeichnet durch
Extrapolationsmittel (62) zum Erzeugen eines extrapolierten
Rotorpositionswinkels anstelle des geschätzten Rotorpositionswinkels,
wenn eine der Statorphasen während
der Sampelperiode eine Zustandsänderung durchläuft.
3. Einrichtung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß die Extrapolationsmittel (62)
Schätzmittel aufweisen zum Abschätzen der Rotordrehzahl
aus unmittelbar vorangegangenen geschätzten Rotorpositionswinkeln
durch eine rekursive Abschätzung kleinster Quadrate
mit exponentiellem Vernachlässigungsprozeß.
4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß die die Impedanz abtastende
Steuerlogik (52) den Phasenstrom für jede Statorphase
ermittelt, ob sie unerregt ist.
5. Einrichtung nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, daß die
Signalverarbeitungsmittel (58, 60) eine Einrichtung (58)
zum Ableiten eines geschätzten Induktivitätswertes aus
der abgetasteten Stromänderung für jede unerregte Phase
enthält, wobei die Signalverarbeitungsmittel das Paar geschätzter
Rotorwinkel für jede unerregte Phase bei dem
geschätzten Induktivitätswert für jede unerregte Phase
ermitteln.
6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
gekennzeichnet durch
eine Steuervorrichtung zum Erzeugen von Kommutierungssignalen
in Abhängigkeit des geschätzten Rotorpositionswinkels,
und einen den Reluktanzmotor (10) speisenden
Wechselrichter in Abhängigkeit der Kommutierungssignale.
7. Einrichtung nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, daß die Kommutierungssignale auch
an die die Impedanz abtastende Steuerlogik (52) geliefert
sind, und ein OR-Gatter (36) zur Verknüpfung der
dem Wechselrichter (20) zugeführten Kommutierungssignale
und Sampelimpulse vorgesehen ist.
8. Einrichtung nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, daß die die Impedanz abtastende
Steuerlogik (52), die Signalverarbeitungsmittel (58,
60), der Winkelkombinierer (62) und die Extrapolationsmittel
(62) alle in einem Mikroprozessor implementiert
sind.
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