DE3838579C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Steuervorrichtung für einen Permanentmagnet-Synchronmotor, in dem ein Permanentmagnet als Rotor verwendet wird und der 3-Phasen-Stator-Wicklungen aufweist, nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Aus der Literaturstelle "Bürstenloser Drehstromservoantrieb mit Erregung durch Dauermagneten" in: ETZ, Band 100 (1979), Heft 24, S. 1382-1386, ist ein bürstenloser Drehstromservoantrieb bekannt, bei dem aufgrund eines mit der Motorwelle verbundenen Drehstellungsdetektors wie bei einem herkömmlichen Gleichstrommotor eine feste Winkelzuordnung zwischen Anker- und Rotorfeld vorgegeben wird. Dieser bekannte Drehstromservoantrieb umfaßt einen Permanentmagneten als Rotor und es ist auch eine 3-Phasen-Stator-Wicklung vorhanden, wobei eine Bezugsgeschwindigkeit für den Rotor vorgegeben wird und ein Differenzwert zwischen der Bezugsgeschwindigkeit und der Drehgeschwindigkeit des Rotors bestimmt wird und die Statorwicklungen mit Strömen gespeist werden, die in einem Verhältnis zu dem Differenzwert stehen. Bei diesem bekannten Drehstromservoantrieb wird das Drehmoment des Motors vorgegeben, so daß diese Größe als Stellgröße für eine Drehzahlregelung verwendet werden kann, wobei dieser so durchgeführten Regelung dann auch noch eine Lageregelung überlagert werden kann.

Aus der DE 29 15 987 A1 ist ein reaktionsschneller Servoantrieb bekannt mit einer annähernd über den vollen Drehzahlbereich stetigen Vierquadrantensteuerung über einen Drehzahlregelkreis, an dem die Drehzahl proportional zur Größe und Polung einer Eingangsgleichspannung einstellbar ist. Dieser bekannte Servoantrieb umfaßt eine umrichtergespeiste, selbstgesteuerte Synchronmaschine, ferner einen Polradlagegeber, der Gebersignale entsprechend dem mechanischen Drehwinkel des Rotors liefert, ferner Einrichtungen zur Erzeugung von drehwinkelabhängigen Phasensignalen aus diesen Gebersignalen, deren Spannungen einer beständigen sinusähnlichen Funktion eines Drehwinkels des Rotors der Synchronmaschine entsprechen. Ferner umfaßt dieser bekannte Servoantrieb eine der Phasenzahl der Synchronmaschine entsprechende Anzahl selbstgeführter Leistungsverstärker hoher Schaltfrequenz zur Erzeugung von den sinusähnlichen Funktionen entsprechenden Strömen für die Statorwicklungen der Synchronmaschine. Schließlich sind Vorverstärker für die genannten Leistungsverstärker mit je einem Multiplizierer vorhanden, in welchem die drehwinkelabhängigen Phasensignale mit der Gleichspannung des Drehzahlreglers multipliziert werden, wobei die Ausgangsspannungen der Multiplizierer die Ströme für die Statorwicklungen der Synchronmaschine bestimmen.

Aus der DE-OS 20 20 371 ist eine Schaltungsanordnung zur Erfassung des Istwertes der Drehzahl eines kollektorlosen Gleichstrommotors mit einem Permanentmagnetläufer und n Ständerwicklungen bekannt, die mit ihrem einen Wicklungsende direkt mit dem ein Pol und mit ihrem anderen Wicklungsende jeweils über eine elektronische Kommutierungseinrichtung mit dem anderen Pol einer Gleichspannungsquelle verbunden sind und bei der zwischen den Kommutierungseinrichtungen und Entwicklungsenden Auskoppeldioden mit ihrem einen Anschluß in Sperrichtung zur Spannung der Gleichspannungsquelle angeschlossen und mit ihrem anderen Anschluß mit einem gemeinsamen Anschlußpunkt verbunden sind, wobei die Auskoppeldioden jeweils über einen einstellbaren Reihenwiderstand mit dem genannten Anschlußpunkt verbunden sind.

Aus der DE-OS 22 21 915 ist eine Vorrichtung zur Steuerung eines mehrphasigen Wechselstromsynchronmotors zum Antrieb eines Aufzuges bekannt, der entsprechend der an ihn angelegten Last in jeder Winkelstellung des Motor-Läufers über seinen Drehzahlbereich von einer Null betragenden Winkelgeschwindigkeit bis zu einer Nenn-Synchrongeschwindigkeit ein Drehmoment erzeugt, wobei ein Spannungsgenerator vorgesehen ist, der an jede Phasenwicklung des Motorläufers eine gesonderte Klemmenspannung anlegt. Das wesentliche dieser bekannten Vorrichtung besteht darin, daß jede Klemmspannung in ihren Eigenschaften für zwei jeder Phasenwicklung zugeordnete Signale repräsentativ ist, deren Größe sich jeweils entsprechend der augenblicklichen Drehzahl des Läufers über seinen Drehzahlbereich von Null betragender Winkelgeschwindigkeit zur Nenn-Synchrondrehzahl ändert, sofern der Motor ein Drehmoment erzeugt.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, eine Steuervorrichtung für einen Permanentmagnet-Synchronmotor der angegebenen Gattung zu schaffen, bei dem eine alterungsbedingte Entmagnetisierung und eine Entmagnetisierung aufgrund dynamischer Vorgänge wirksam entgegengewirkt werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichnungsteil des Anspruches 1 aufgeführten Merkmale gelöst.

Aus der DE 33 34 149 A1 ist es gemäß Seite 4 2. Abs. zwar bekannt, die Rotormagnetisierung reversibel zu beeinflussen, dabei geht es jedoch um die Erweiterung des Drehmoment-Drehzahlbereiches.

Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Im folgenden wird die Erfindung an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Steuervorrichtung für einen Permanentmagnet-Synchronmotor gemäß der Erfindung;

Fig. 2 (a) bis 2 (d) Signalverlaufsdiagramme, die Signale an verschiedenen Stellen der in Fig. 1 wiedergegebenen Steuervorrichtung zeigen;

Fig. 3 eine schematische Darstellung des Permanentmagnet- Synchronmotors in einem normalen Zustand;

Fig. 4 (a) bis 4 (d) Signalverlaufsdiagramme ähnlich den Fig. 2 (a) bis 2 (d), zeigen jedoch zusätzlich die Signalverläufe imaginärer Signalanteile an denselben Stellen der Vorrichtung nach Fig. 1;

Fig. 5 eine Darstellung ähnlich der Fig. 3, jedoch ein Magnetfeld zeigend, das von elektrischen Strömen der in den Fig. 4 (b) bis 4 (d) gezeigten Wellenformen erzeugt wird;

Fig. 6 eine Schaltung, die eine Invertervorrichtung für einen Permanentmagnet-Synchronmotor zeigt, und

Fig. 7 ein charakteristisches Diagramm, das die Zusammenhänge zwischen der magnetischen Flußdichte und der Koerzitivkraft von Permanentmagneten zeigt.

Fig. 6 zeigt ein Schaltbild einer Invertervorrichtung (Umrichter) für einen Permanentmagnet-Synchronmotor gemäß Fig. 1. Der Synchronmotor M besteht aus einem Permanentmagneten 1 und drei Statorwicklungen 2U, 2V und 2W. 3-Phasenwechselströme werden den Statorwicklungen 2U, 2V und 2W zugeführt, d. h. ein Strom I_U wird der Wicklung 2U, ein Strom I_V wird der Wicklung 2V und ein Strom I_W wird der Wicklung 2W zugeführt, wobei diese Ströme die Phasen U, V und W aufweisen. Eine Drehstromquelle 3 ist dazu vorgesehen, den Permanentmagnetmotor M zu betreiben. Eine Gleichrichterschaltung 4, bestehend aus sechs Transistoren Tr, richtet die Wechselströme von der Stromquelle 3 in Gleichströme gleich. Eine Gleichrichtersteuerschaltung 5 erzeugt ein Steuersignal für jeden der Transistoren Tr, und in Abhängigkeit von den Steuersignalen von der Gleichrichtersteuerschaltung 5 wird eine geeignete Gleichrichtung der Wechselströme ausgeführt. Eine Inverterschaltung 6 aus sechs Parallelschaltungen jeweils eines Transistors Tr und einer Diode D wandelt die von der Gleichrichterschaltung 4 abgegebenen Gleichströme in 3-Phasen-Wechselströme um. Eine Invertersteuerschaltung 7 erzeugt ein Steuersignal für jeden der Transistoren Tr der Inverterschaltung 6. Die aus der Stromquelle 3, der Gleichrichterschaltung 4, der Gleichrichtersteuerschaltung 5, der Inverterschaltung 6 und der Invertersteuerschaltung 7 bestehende Schaltung wird nachfolgend als Invertervorrichtung 8 bezeichnet.

Wenn bei dieser beschriebenen Steuerschaltung Steuersignale von der Gleichrichtersteuerschaltung 5 und der Inverter­ steuerschaltung 7 erzeugt werden, dann werden den drei Statorwicklungen 2U, 2V und 2W entsprechende dreiphasige Ströme zugeführt, und es wird von ihnen ein Drehfeld er­ zeugt. Aufgrund dieses Drehfeldes wird der Permanentmagnet 1 synchron mit dem Umlauf des Drehfeldes gedreht.

Ein solcher Permanentmagnet-Synchronmotor hat beachtliche Vorteile, weil er aufgrund der Verwendung eines Perma­ nentmagneten keine Erregerleistung erfordert und daher einen verringerten Stromverbrauch bei gleicher Leistung im Vergleich zu einem Induktionsmotor hat und da er keinen Schleifring oder Bürsten benötigt, wenig Wartung verlangt und selten ausfällt.

Trotz der genannten Vorteile wirft ein solcher Permanentmagnetmotor die folgenden Probleme auf. Im allgemeinen verliert ein Permanentmagnet im Laufe der Zeit seine Magnetkraft und wird allmählich entmagnetisiert. Dies wird unter Bezugnahme auf charakteristische Kurven von Permanentmagneten erläutert, die in Fig. 7 dargestellt sind. In Fig. 7 ist auf der Abszisse die Koerzitivkraft aufgetragen, während auf der Ordinate die magnetische Flußdichte aufgetragen ist. Ein in einem Permanentmagnet- Synchronmotor verwendeter Permanentmagnet hat normalerweise eine magnetische Flußdichte, die so groß wie möglich ist, damit der Dreheffekt nicht beeinträchtigt wird. Ein Permanentmagnet, der eine hohe magnetische Flußdichte aufweist, hat jedoch natürlich eine geringe Koerzitivkraft. Wie man aus Fig. 7 erkennt, hat ein Permanentmagnet einer magnetischen Flußdichte B_m1 eine Koerzitivkraft H_c1, jedoch ist die Koerzitivkraft H_c2 eines anderen Permanentmagneten, dessen magnetische Flußdichte B_m2 kleiner B_m1 ist, größer als die Koerzitivkraft H_c1. Aus diesem Grunde muß ein Permanentmagnet einer hohen magnetischen Flußdichte für einen Permanentmagneten-Synchronmotor verwendet werden, von dem ein hohes Drehmoment verlangt wird. Da ein solcher Permanentmagnet eine kleine Koerzitivkraft aufweist, kann eine Entmagnetisierung trotz allem nicht verhindert werden.

Die Entmagnetisierung wird weiterhin nicht nur durch Alterung hervorgerufen, sondern kann auch aufgrund dynami­ scher Vorgänge zumindest teilweise herbeigeführt werden.

Auf diese Weise ist ein Permanentmagnet-Synchronmotor nicht frei von Teilentmagnetisierung oder völliger Entmagnetisie­ rung, und dies ist Ursache für eine Verringerung oder einen völligen Verlust der Drehkraft des Synchronmotors. Dies kann dazu führen, daß der Permanentmagnet-Synchronmotor überhaupt nicht anlaufen oder drehen kann. Dieses Problem verringert natürlich die Zuverlässigkeit eines Perma­ nentmagnet-Synchronmotors in bemerkenswertem Umfang. Ein Permanentmagnet-Synchronmotor mit diesen Nachteilen kann natürlich in vielen Einsatzgebieten, wo Zuverlässigkeit verlangt wird, beispielsweise in Personentransportmitteln, wie beispielsweise einem Aufzug oder einer Rolltreppe, trotz der beschriebenen Vorteile nicht eingesetzt werden.

Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild einer Steuervorrichtung für einen Permanentmagnet-Synchronmotor gemäß der Erfindung. In Fig. 1 sind dieselben Bezugszeichen für jene Teile verwendet, die unter Bezugnahme auf Fig. 6 bereits erläutert worden sind, und eine diesbezügliche Wiederholung der Beschreibung soll an dieser Stelle unterbleiben. Die dargestellte Steuervorrichtung enthält einen Impulsgenera­ tor 10, der mit einem Permanentmagneten 1 verbunden ist, der als Rotor dient, und er erzeugt eine Kette von Impulsen, deren Zahl proportional zum Drehwinkel des Permanentmagneten 1 steigt. Wenn beispielsweise angenommen wird, daß ein Impuls immer dann erzeugt wird, wenn der Permanentmagnet 1 um einen Winkel von 1° gedreht wird, dann werden bei einer vollen Umdrehung des Permanentmagneten insgesamt 360 Impulse erzeugt. Ein Impulszähler 11 zählt die Ausgangsimpulse des Impulsgenerators 10, und während er die Impulse zählt, entwickelt er ein Signal N_M, das proportional zur Drehfrequenz des Permanentmagneten 1 pro Zeiteinheit (Drehzahl des Synchronmotors) zunimmt. Eine Bezugsdrehzahleinstellvorrichtung 12 ist dazu vorgesehen, eine gewünschte Bezugsdrehzahl für den Synchronmotor M vorzugeben, und sie gibt ein Signal N_S ab, das proportional mit der eingestellten Bezugsdrehzahl zunimmt. Ein Proportionalverstärker 13 vergleicht das von der Bezugsdrehzahleinstellvorrichtung 12 abgegebene Signal N_S mit dem von dem Impulszähler 11 abgegebenen Signal N_M und gibt ein verstärktes Differenzsignal ab. Das von dem Proportionalverstärker 13 abgegebene Signal, das proportional mit der genannten Differenz zunimmt, ist mit I_rs bezeichnet. Ein Funktionsgenerator 14 empfängt das Ausgangssignal I_rs des Proportionalverstärkers 13. Wenn der Wert des Signals I_rs einen vorbestimmten Wert I_{rs 0} überschreitet, dann entwickelt der Funktionsgenerator 14 ein Signal I_XS in Übereinstimmung mit einem Signal entsprechend einer Größe, die das Signal I_XS überschreitet. Es ist anzumerken, daß der Proportionalverstärker 13 durch einen Proportional/Integral-Verstärker ersetzt sein kann.

Ein Vektorwandler 15 empfängt das Ausgangssignal I_rs des Proportionalverstärkers 13 und das Ausgangssignal I_XS des Funktionsgenerators 14 und wandelt sie in einen Vektor um. Ein von dem Vektorwandler 15 erzeugtes Vektorsignal wird durch II_S dargestellt. Ein Vektoroszillator 16 empfängt Impulse vom Impulsgenerator 10 und gibt sie als Vektorsignal ε^{j R s} ab, das für einen Drehwinkel (Drehstellung) des Permanentmagneten 1 kennzeichnend ist. Der Vektoroszillator 16 hat also die Funktion, einen Einheitswinkel immer dann zu addieren oder zu akkumulieren, wenn ein Impuls empfangen wird, um sukzessiv einen integrierten Wert derselben abzugeben. Der integrierte Wert wird immer dann rückgesetzt, wenn der Permanentmagnet 1 eine vollständige Drehung ausgeführt hat. Ein Vektormultiplizierer 17 multipliziert das vom Vektorwandler 15 abgegebene Vektorsignal II_S mit dem vom Vektoroszillator 16 abgegebenen Vektorsignal ε^{j R s} und gibt ein Vektorsignal Z ab. Ein Drei-Phasen-Wandler 18 bestimmt in Abhängigkeit des Ausgangssignals Z des Vektormultiplizierers 17 die den Statorwicklungen 2U, 2V und 2W der einzelnen Phasen des Permanentmagnet-Synchronmotors M zuführenden Ströme. Der Drei-Phasen-Wandler 18 erzeugt Signale u, v und w, die proportional zu den einzelnen Phasenströmen zunehmen. Funktionsdetails des Vektorwandlers 15, des Vektoroszillators 16, des Vektormultiplizierers 17 und des Drei-Phasen-Wandlers 18 gehen aus der nachfolgenden Beschreibung hervor.

Drei Stromdetektoren 19U, 19V und 19W ermitteln die Ströme, die durch die Statorwicklungen 2U, 2V und 2W fließen, und erzeugen Signale, die proportional zu den ermittelten Strömen zunehmen. Drei Steuerschaltungen 20u, 20v und 20w empfangen die Signale u, v und w von dem Drei-Phasen-Wandler 18 und die Signale 19U, 19V und 19W von den Stromdetektoren, um eine Rückkopplungssteuerung auszuführen. Die Ausgangssignale der einzelnen Steuerschaltungen 20u, 20v und 20w werden der Invertersteuerschaltung 7 für die Invertervorrichtung 8 zugeführt, und in Abhängigkeit von Steuersignalen, die die Invertersteuerschaltung 7 abgibt, werden Ströme, die proportional zu den Signalen u, v und w vom Drei-Phasen-Wandler 18 zunehmen, den einzelnen Statorwicklungen 2U, 2V und 2W zugeführt.

Nachfolgend wird der Betrieb erläutert. Zunächst wird eine gewünschte Drehzahl an der Bezugsdrehzahleinstellvorrichtung 12 eingestellt, und ein Signal N_S, das dieser Drehzahl entspricht, wird von der Bezugsdrehzahleinstellvorrichtung 12 abgegeben. Nachdem der Permanentmagnet-Synchronmotor M erregt ist, wenn der Permanentmagnet 1 dreht, wird jedesmal ein Impuls vom Impulsgenerator 10 abgegeben, wenn der Rotor um einen Einheitswinkel gedreht hat. Diese Impulse werden dem Impulszähler 11 und dem Vektoroszillator 16 zugeführt. Der Impulszähler 11 gibt ein Signal N_M ab, das proportional zur Drehzahl des Permanentmagneten 1 zunimmt. Der Proportionalverstärker 13 berechnet die Differenz zwischen den Signalen N_S und N_M und gibt ein Signal I_rs ab, das der Differenz entspricht.

Es sei erwähnt, daß die Bezugsdrehzahl an der Bezugsdrehzahleinstellvorrichtung 12 natürlich im vorgegebenen Betriebsbereich des Synchronmotors M liegt. Der Synchronmotor M dreht daher im Normalzustand mit einer Drehzahl, die nahe der vorgegebenen Bezugsdrehzahl liegt. Dementsprechend ist das Ausgangssignal I_rs des Proportionalverstärkers 13 klein und hat einen Wert, der kleiner als der vorbestimmte Wert I_{rs 0} ist, der am Funktionsgenerator 14 eingestellt ist. Der Betrieb in einem solchen Normalzustand des Synchronmotors M wird daher nachfolgend an erster Stelle erläutert.

Da in diesem Falle das Ausgangssignal I_XS des Funktionsgenerators 14 gleich 0 ist, wird nur das Signal I_rs an den Vektorwandler 15 geliefert, und als Ausgangssignal II_S des Vektorwandlers 15 wird das Signal I_rs, das den reellen Anteil eines Vektors darstellt, so abgegeben, wie es ist. Es sei angemerkt, daß der Imaginäranteil des Vektors durch das Ausgangssignal I_XS des Funktionsgenerators 14 gebildet wird, was später für den Betriebsfall erläutert wird, wenn sich der Synchronmotor M in einem abnormen Zustand befindet.

Der Vektoroszillator 16 empfängt die Ausgangsimpulse des Impulsgenerators 10. Die Ausgangsimpulse sind in Fig. 2(a) dargestellt. Die Abszisse stellt den Drehwinkel R_s des Permanentmagneten 1 dar. Da der Impulsgenerator 10 einen Impuls immer dann abgibt, wenn der Permanentmagnet 1 um einen Einheitswinkel (beispielsweise um 1°) gedreht wird, gibt die gezählte Impulsanzahl den Drehwinkel des Permanentmagneten 1 an. Nach einer Anzahl von Impulsen, die einer vollständigen Umdrehung entspricht, die im Diagramm mit 2 angegeben ist, wird die Zählung rückgesetzt und beginnt von neuem. Der Drehwinkel des Permanentmagneten 1 aus einer vorbestimmten Bezugsposition läßt sich daher jederzeit aus dem Zählergebnis ermitteln. Der Vektoroszillator 16 hat die oben beschriebene Funktion und besteht im wesentlichen aus einem Ringzähler oder dgl. Aus der vorangehenden Beschreibung geht hervor, daß der Ausgang ε^{j R s} des Vektoroszillators 16 ein Signal einer Winkelkomponente ist, und der Winkel R_S des Permanentmagneten 1 zum laufenden Zeitpunkt ist ein Wert, der proportional der Anzahl der gezählten Impulse zunimmt.

Der Vektormultiplizierer 17 empfängt und multipliziert einen Ausgang II_S des Vektorwandlers 15 und den Ausgang ε^{j R s} der Winkelkomponente des Vektoroszillators 16 und liefert einen entsprechenden multiplizierten Wert Z. Dieser Wert wird durch die folgende Gleichung ausgedrückt:

Z = II_S (1)

da II_S = I_rs im Normalzustand,

wird Z = I_rs (2)

erhalten.

Fig. 2(b) ist ein Diagramm des Ausdrucks (2), und Fig. 2(b) gibt die Abszisse den Drehwinkel R_s und die Ordinate den Realanteil Z des Vektors Z an. Es sei nun angenommen, daß ein Impuls P_s gemäß Fig. 2(a) unter den von Impulsgenerator 10 abgegebenen Ausgangsimpulsen ein Impuls bei der Bezugsposition ist. Der durch eine strichpunktierte Linie angegebene Drehwinkel ist dann 0 (R_s = 0), und der Ausgang des Vektoroszillators 16 ist ε^{j R s} = 1. Dementsprechend hat das Ausgangssignal des Vektormultiplizierers 17 an der Bezugsposition den Wert I_rs. Wenn angenommen wird, daß der Impuls P_s ein Impuls an der Bezugsposition ist, dann hat das Ausgangssignal des Vektormultiplizierers 17 mit Cosinusform einen Maximalwert I_rs an dieser Stelle, wie in Fig. 2(b) gezeigt.

Der Drei-Phasen-Wandler 18 empfängt das Signal nach Fig. 2(b) und bestimmt dieses Signal als ein Signal u für einen U-Phasenstrom I_U, der der Statorwicklung 2U der Phase U zuzuführen ist. Da die Ströme I_V und I_W der anderen Phasen die gleichen Verläufe wie der Strom I_U der Phase U haben und die drei Ströme ein festes Phasenverhältnis zueinander haben, werden auch ein Signal v für den Strom I_V der Phase V und ein Signal w für den Strom I_W der Phase W schlußendlich bestimmt. Dies wird unter Bezugnahme auf die Diagramme der Fig. 2(b), 2(c) und 2(d) erläutert. Da die Phasenströme I_U, I_V und I_W Drehstromphasen sind, eilt der V-Phasenstrom I_V dem U-Phasenstrom I_U um eine Phasendifferenz von 2π/3 nach, und der W-Phasenstrom I_W eilt dem V-Phasenstrom I_V um eine Phasendifferenz von weiteren 2π/3 nach. Wenn dementsprechend das Signal u als Signal für den U-Phasenstrom I_U bestimmt ist, dann sind auch die Signale v und w bestimmt als Signale des gleichen Maximalwertes und mit einer Phasenverzögerung gegenüber dem Signal u um 2π/3 bzw. 4π/3. Wenn die Bezugsposition R_s = 0 untersucht wird, dann ist der Wert des Signals u an dieser Position gleich I_rs während die Werte v und w beide -I_rs/2 sind. Wenn also der Permanentmagnet 1 sich an der Bezugsposition befindet, dann liefert der Drei-Phasen-Wandler 18 den Wert I_rs als ein Signal u, den Wert -I_rs/2 als ein Signal v und den Wert -I_rs/2 als ein Signal w. Wenn der Permanentmagnet 1 gedreht wird, um seine Position zu verändern, dann bewegt sich die strichpunktierte Linie in den Fig. 2(a) bis 2(d) in den Zeichnungen nach rechts, und die Werte auf den Kurven, an denen diese Linie die Kurven schneidet, werden nachfolgend als Signale u, v und w vom Drei-Phasen-Wandler 18 abgegeben.

Wenn die Drehzahl N_M des Permanentmagneten 1 sich ändert, dann ändert sich auch die Differenz zur Bezugsdrehzahl N_S, sodaß die Amplitude des Ausgangssignals I_rs des Proportionalverstärkers 13 sich ändert. Die Signalverläufe der Fig. 2(b) bis 2(d) ändern sich ebenfalls, jedoch betrifft diese Änderung nur den Amplitudenwert I_rs, während das Phasenverhältnis zwischen den einzelnen Signalen aufrechterhalten bleibt. Die Signale v und w dieser Signalkurven kann man durch Verwendung eines Funktionsgenerators erhalten, der eine solche Signalverlaufscharakteristik aufweist, wie in den Fig. 2(c) und 2(d) gezeigt, wobei der Wert I_rs als Parameter verwendet wird. Es sei angemerkt, daß für das Signal u das Eingangssignal so verwendet wird, wie es ist.

Die Signale u, v und w, die in dieser Weise vom Drei-Phasen- Wandler 18 abgegeben werden, gelangen über die Steuerschaltungen 20u, 20v und 20w zur Invertersteuerschaltung 7 für die Invertervorrichtung 8, so daß die einzelnen Transistoren Tr der Inverterschaltung 6 in Abhängigkeit von den Signalen u, v und w gesteuert werden. Als Folge davon werden Ströme I_U, I_V und I_W entsprechend den Signalen u, v und w den einzelnen Statorwicklungen 2U, 2V und 2W der Phasen U, V bzw. W zugeführt, so daß der Permanentmagnet-Synchronmotor M erregt wird. Während dieser Erregung werden die einzelnen Phasenströme I_U, I_V und I_W ständig durch die Stromdetektoren 19U, 19V und 19W überwacht, und die Detektorsignale werden den Steuerschaltungen 20u, 20v und 20w der einzelnen Phasen zugeführt, so daß eine Rückkopplungsregelung der einzelnen Phasenströme ausgeführt wird.

Es wird nun ein Magnetfeld, das während des Antriebs des Permanentmagneten 1 durch die beschriebene Steuerung erzeugt wird, erläutert. Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung des Permanentmagnet-Synchronmotors M. Mit 1 ist ein Permanentmagnet bezeichnet, während mit 2U und 2U′ die Statorwicklungen der Phase U, mit 2V und 2V′ die Statorwicklungen der Phase V und mit 2W und 2W′ die Statorwicklungen der Phase W bezeichnet sind. Man erkennt ferner einen Stator 22 und im Stator ausgebildete Nuten 23. Jede Phase hat gemäß Fig. 3 zwei gegenüberliegende Nuten 23, in denen jeweils ein Leiter liegt, und eine Statorwicklung einer jeden Phase besteht aus einem solchen Leiterpaar. Das Paar gegenüberliegender Leiter sind miteinander auf einer Stirnseite des Permanentmagnet-Synchronmotors M verbunden.

Es sei hier angenommen, daß die in Fig. 3 dargestellte Position des Permanentmagneten die Bezugsposition (R_s = 0) ist, daß ein U-Phasenstrom I_U, der proportional zum Signal u (u = I_rs) zunimmt, in Richtung der Pfeilmarkierungen durch die Statorwicklungen 2U und 2U′ der Phase U fließt und ein V-Phasenstrom I_V (I_V = -I_U/2), der proportional zum Signal v (v = -I_rs/2) zunimmt, in Richtung der Pfeilmarkierung durch die Statorwicklungen 2V und 2V′ der Phase V fließt, und weiterhin ein W-Phasenstrom I_W (I_W = -I_U/2) der proportional zum Signal w (w = -I_rs/2) zunimmt, in Richtung der Pfeilmarkierung durch die Statorwicklungen 2W und 2W′ der Phase W fließt. Mit den einzelnen Phasenströmen I_U, I_V und I_W werden von den Statorwicklungen 2U bis 2W′ Magnetfelder erzeugt, und ein von ihnen erzeugtes zusammengesetztes Magnetfeld verläuft durch den Stator 22, wie mit gestrichelten Linien gezeigt. Bei der Erzeugung des zusammengesetzten Magnetfeldes tritt ein Zustand auf, bei dem ein Nordpol und ein Südpol an solchen Positionen des Stators 22 erzeugt werden, wie durch N und S in Fig. 3 angegeben ist, und die Nord- und Südpole des Permanentmagneten 1 werden von den Süd- und Nordpolen, die im Stator 22 ausgebildet werden, angezogen, so daß der Permanentmagnet 1 in der durch eine Pfeilmarkierung in Fig. 3 angegebenen Richtung gedreht wird.

Als Folge der Drehung des Permanentmagneten 1 werden vom Impulsgenerator 10 Impulse erzeugt, so daß das Ausgangssignal ε^{j R s} des Vektoroszillators 16 sich ändert. Als Folge davon ändern sich auch die Ausgangssignale u, v und w des Drei-Phasen-Wandlers 18 und dementsprechend auch die Drei-Phasen-Ströme I_U, I_V und I_W. Als Folge davon ändert sich auch das zusammengesetzte Magnetfeld, das im Stator 22 erzeugt wird, so daß die magnetischen Pole N und S in derselben Richtung bewegt werden, in der sich der Permanentmagnet 1 dreht. Folglich wird die Drehung des Permanentmagneten 1 schließlich mit einer Drehzahl fortgesetzt, die im wesentlichen gleich der Bezugsdrehzahl N_S ist.

Wenn während des oben beschriebenen Betriebs in einem Zeitpunkt, zu welchem das zusammengesetzte Magnetfeld nach Fig. 3 im Stator 22 durch die einzelnen Phasenströme gebildet wird, die Richtung des zusammengesetzten Magnetfeldes und die Richtung des Magnetfeldes im Permanentmagnet 1 aufeinander senkrecht stehen, wird der Permanentmagnet 1 durch das in den Statorwicklungen erzeugte zusammengesetzte Magnetfeld überhaupt nicht entmagnetisiert. Da die Position des Permanentmagneten 1 und die einzelnen Phasenströme eine derartige feste Beziehung haben, wie in den Fig. 2(a) bis 2(d) zu sehen, wird die oben beschriebene Beziehung zwischen dem Permanentmagnet 1 und dem zusammengesetzten Magnetfeld während der Erregung des Permanentmagnet-Synchronmotors M mit Sicherheit aufrechterhalten, und der Permanentmagnet 1 wird überhaupt nicht entmagnetisiert.

Zuvor ist der Betrieb im Normalzustand beschrieben worden, bei dem keine wesentliche Differenz zwischen der Drehzahl N_M und der Bezugsdrehzahl N_S vorliegt und das Ausgangssignal I_rs des Proportionalverstärkers 13 kleiner als der vorbestimmte Wert I_{rs 0} ist. Wenn die Belastung des Permanentmagnet- Synchronmotors M schlagartig auf eine abnorme Größe steigt, kann der Permanentmagnet 1 merklich entmagnetisiert werden. Es ergibt sich auch eine natürliche Entmagnetisierung des Permanentmagneten 1 aufgrund Alterung. In einem solchen Fall wird gemäß der vorliegenden Ausführungsform ein Signal I_XS vom Funktionsgenerator 14 erzeugt, um eine solche teilweise Entmagnetisierung, wie oben beschrieben, zu verhindern. Dies wird nachfolgend erläutert.

Wenn der Permanentmagnet-Synchronmotor M sich in einem Zustand befindet, in dem eine teilweise Entmagnetisierung in der oben beschriebenen Weise stattfindet, wird die Drehzahl N_M des Permanentmagnet-Synchronmotors M kleiner. Dementsprechend wird das Ausgangssignal I_rs des Proportionalverstärkers 13 in Fig. 1 größer und nimmt nun einen Wert an, der den vorbestimmten Wert I_{rs 0} überschreitet. Dementsprechend wird ein Signal I_XS vom Funktionsgenerator 14 in Übereinstimmung mit der Charakteristik desselben erzeugt. Das Signal I_XS wird dem Vektorwandler 15 zugeführt, in dem es in einen Vektor zusammen mit dem Ausgangssignal I_rs des Proportionsverstärkers 13 umgewandelt wird. Dieser so umgewandelte Vektor II_S wird durch die folgende Gleichung ausgedrückt:

II_S = I_rs + jI_XS (3)

In der Gleichung (3) haben die Werte I_rs und I_XS eine Phasenverschiebung von 90° voneinander, und der Wert I_rs stellt den Realteil des Vektors dar, während der Wert I_XS den Imaginärteil des Vektors darstellt. Der Vektor II_S ist daher ein aus zwei Werten resultierender Vektor.

Wenn hier angenommen wird, daß

dann läßt sich die Gleichung (3) wie folgt schreiben:

II_S = I_S · ε^{j R s} (4)

Es sei angemerkt, daß in einem Normalzustand des Permanentmagnet-Synchronmotors M (bei dem der Wert I_rs kleiner als der vorbestimmte Wert I_{rs 0} ist), II_S = I_rs erhalten wird, wie oben beschrieben, weil der Wert I_XS gleich null ist.

Auf diese Weise wird dem Vektormultiplizierer 17 ein Vektor II_S zugeführt, der einen Imaginäranteil enthält, und dieser wird mit der Winkelkomponente ε^{j R s} multipliziert, die vom Vektoroszillator 16 geliefert wird. Das Ausgangssignal des Vektormultiplizierers 17 wird daher durch die folgende Gleichung angegeben:

Z = II_S · ε^{j R s} (5)

Das Signal, wenn der Wert I_rs eines Realanteils der Gleichung (5) mit der Winkelkomponente ε^{j R s} multipliziert wird, ist derselbe, wie der des Ausgangssignals u des Drei- Phasen-Wandlers 18. Ein Signal, wenn der Wert I_XS des Imaginäranteils der Gleichung (5) mit der Winkelkomponente ε^{j R s} multipliziert ist, wird daher unter Bezugnahme auf die Kurven in den Fig. 4(a) und 4(b) erläutert. Die in durchgezogenen Linien dargestellten Kurven haben die gleichen Verläufe, wie die Kurven in den Fig. 2(a) und 2(b), d. h. die Kurven des Realanteils. Während auch der Imaginäranteil des Ausgangs Z des Vektormultiplizierers 17 zusammen mit dem Realanteil desselben geliefert wird, zeigt der Imaginäranteil einen Verlauf, der gegenüber dem Realanteil um eine Phasendifferenz von π/2 nacheilt, und er zeigt einen Maximalwert I_XS, wie in der Gleichung (3) angegeben. Dieser Kurvenverlauf ist in Fig. 4(b) gestrichelt dargestellt. Das Ausgangssignal Z des Vektormultiplizierers 17 ist daher eine Zusammensetzung (Vektorsumme) der Kurvenverläufe des Realanteils und des Imaginäranteils, und das Signal Z wird als ein Signal u vom Drei-Phasen-Wandler 18 geliefert. Im vorliegenden Beispiel werden jedoch der Realanteil und der Imaginäranteil des Signals Z unabhängig voneinander vom Vektormultiplizierer 17 abgegeben, und die Zusammenfügung derselben wird im Drei-Phasen-Wandler 18 ausgeführt.

Die Signale v und w für die Phasen V und W werden im Drei- Phasen-Wandler 18 entsprechend dem Realanteil des Signals Z nach den Fig. 2(c) und 2(d) und den Imaginäranteilen in Übereinstimmung mit dem Imaginäranteil des Signals Z in gleicher Weise erzeugt. Die mit durchgezogenen Linien in den Fig. 4(c) und 4(d) dargestellten Kurven sind die Signalverläufe der Realanteile wie die Kurven in den Fig. 2(c) und 2(d). Die Signalverläufe der Imaginäranteile sind Kurvenverläufe, die den Signalverläufen der entsprechenden Realanteile um eine Phasendifferenz von π/2 nacheilen, und sie haben einen Maximalwert von I_XS. Diese Signalverläufe kann man unter Verwendung eines Funktionsgenerators erhalten, der eine Wellenformcharakteristik aufweist, wie in den Fig. 4(c) und 4(d) gezeigt, wobei der Wert I_XS als Parameter verwendet wird.

Es sei hier vergleichbar wie im Falle von I_XS = 0, ein Magnetfeld untersucht, das durch Signale der Imaginäranteile (nachfolgend als Erregersignale bezeichnet) erzeugt wird, wenn sich der Permanentmagnet 1 in der Bezugsposition (R_s = 0) befindet. Es sei angemerkt, daß in der nachfolgenden Beschreibung der Einfachheit halber angenommen wird, daß die Ausgangssignale u, v und w des Drei-Phasen-Wandlers 18 nur Erregersignalkomponenten enthalten. Wenn R_s = 0 ist, dann nehmen die Signale u, v und w die Werte u = 1, v = -3I_XS/2 und w = 3I_XS/2 an, wie in den Fig. 4(b) bis 4(d) dargestellt, folgend aus dem Phasenverhältnis gegenüber den Realanteilen. Dementsprechend werden Phasenströme der nachfolgenden Werte von der Invertervorrichtung 8 abgegeben. Wenn der U-Phasenstrom I_U einen Wert 0 hat, dann hat der V-Phasenstrom I_V einen Wert, der proportional dem Signal -3I_XS/2 ist und der W-Phasenstrom I_W hat einen Wert, der proportional dem Signal 3I_XS/2 ist. Das durch diese Ströme erzeugte Magnetfeld ist in Fig. 5 dargestellt.

Fig. 5 zeigt eine schematische Ansicht des Permanentmagnet- Synchronmotors, wobei die Magnetfelder, die von den einzelnen Phasenströmen erzeugt werden, in gestrichelten Linien dargestellt sind. Die Richtungen dieser Magnetfelder fallen mit der Richtung des inneren Magnetfeldes des Permanentmagneten 1 zusammen, so daß die Magnetfelder so wirken, daß der Permanentmagnet 1 magnetisiert wird.

Es ist oben vorausgesetzt worden, daß diese Magnetfelder mit Hilfe von Ausgangssignalen u, v und w des Drei-Phasen- Wandlers 18 erzeugt werden, die nur Erregersignalkomponenten enthalten. In Wirklichkeit sind die Signale u, v und w jedoch zusammengesetzte Signale, die aus Realanteilen und Imaginäranteilen (Erregersignalen) zusammengesetzt sind, wie oben beschrieben. Es ist anzumerken, daß solche zusammengesetzten Signale u, v und w erhalten werden können, indem man die Ausgänge eines vorerwähnten Funktionsgenerators, dem ein Realanteil eingegeben wird, und die Ausgänge eines weiteren Funktionsgenerators, dem ein Imaginäranteil eingegeben wird, Addierern für die einzelnen Phasen zuführt, um sie miteinander zu addieren. Da die Signale u, v und w auf diese Weise zusammengesetzte Signale sind, sind die einzelnen Phasenströme ebenfalls zusammengesetzte Ströme, die in Abhängigkeit von den zusammengesetzten Signalen erzeugt werden. Das in dem Permanentmagnet-Synchronmotor M erzeugte Magnetfeld ist daher ein aus dem in Fig. 3 dargestellten Magnetfeld und aus dem in Fig. 5 dargestellten Magnetfeld zusammengesetztes Magnetfeld. Es versteht sich jedoch, daß solche Magnetfeldkomponenten, wie in Fig. 5 gezeigt, in dem zusammengesetzten Magnetfeld vorhanden sind und es versteht sich ebenfalls, daß der Permanentmagnet 1 durch solche Magnetfeldkomponenten magnetisiert wird. Es ist weiterhin augenscheinlich, daß die Magnetfeldkomponenten zur Magnetisierung des Permanentmagneten 1 in dieser Weise ohne Rücksicht auf die Position des Permanentmagneten 1, in der ein Imaginäranteil im Ausgangssignal II_S des Vektorwandlers 15 enthalten ist, immer erzeugt werden.

Wird die Steuervorrichtung nach der Erfindung zum Antrieb eines Aufzuges eingesetzt, so wird der Aufzug daher im Betrieb keine Schwierigkeiten zeigen.

Es ist anzumerken, daß in der obigen Beschreibung der Proportionalverstärker 13, der Funktionsgenerator 14, der Vektorwandler 15, der Vektoroszillator 16, der Vektorverstärker 17 und der Drei-Phasen-Wandler 18 als aus einzelnen Komponenten aufgebaut dargestellt worden sind, sie jedoch auch zusammen von einem Mikrocomputer gebildet werden können.

Während die obige Beschreibung anhand eines Beispiels gegeben wurde, bei dem ein Impulsgenerator dazu verwendet wird, die Drehposition und die Drehzahl des Permanentmagneten zu ermitteln, können die Drehposition und die Drehzahl des Permanentmagneten auch in Abhängigkeit von der ermittelten Gegen-EMK beurteilt werden, die in jeder der Statorwicklungen erzeugt wird.

Claims (7)

1. Steuervorrichtung für einen Permanentmagnet-Synchron­ motor, in dem ein Permanentmagnet als Rotor verwendet wird und der Drei-Phasen-Stator-Wicklungen aufweist, mit einer Detektoreinrichtung zum Ermitteln einer Drehposition und einer Drehzahl des Rotors, einer Vergleichseinrichtung zum Vergleichen der von der Detektoreinrichtung ermittelten Drehzahl mit einer vorbestimmten Bezugsdrehzahl und zum Entwickeln eines Differenzwertes zwischen der ermittelten Drehzahl und der Bezugsdrehzahl, einer Wandlereinrichtung, zur Bestimmung von dreiphasigen Steuerströmen in Abhängig­ keit von einem Vektorwert, der aus der von der Detektorein­ richtung ermittelten Drehposition und dem von der Ver­ gleichseinrichtung ermittelten Differenzwert erhalten wird, einer Stromsteuereinrichtung zur Erzeugung der durch die einzelnen Statorwicklungen fließenden Ströme in Abhängig­ keit von den Steuerströmen, gekennzeichnet durch einen Funktionsgenerator (14), der ein Ausgangssignal (I_XS) er­ zeugt, wenn der Differenzwert (I_rs) einen vorbestimmten Wert (I_rso) überschreitet, wobei das Ausgangssignal (I_XS) einen Wert angibt, um welchen der Differenzwert (I_rs) den vorbestimmten Wert (I_rso) überschreitet, einen Vektorwand­ ler (15) in der Wandlereinrichtung zum Verschieben der Pha­ se des Ausgangssignals des Funktionsgenerators (14) um einen Winkel von 90° gegenüber dem von der Vergleichsein­ richtung (13) abgegebenen Differenzwert (I_rs) und zur Bil­ dung einer Vektorsumme (I_rs, I_XS) zwischen dem phasenver­ schobenen Signal und dem Differenzwert, einen Vektormulti­ plizierer (17) in der Wandlereinrichtung zum Erzeugen des Vektorwertes, und einen Dreiphasenwandler (18) in der Wandlereinrichtung zur Bestimmung der Steuerströme, wobei dem Vektormultipli­ zierer (17) der Differenzwert (I_rs) zugeführt wird, wenn der Differenzwert kleiner als der vorherbestimmte Wert (I_rso) und wobei dem Vektormultiplizierer (17) die Vektor­ summe (I_rs, I_XS) zugeführt wird, wenn der Differenzwert (I_rs) größer als der vorherbestimmte Wert (I_rso) ist.

2. Steuervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoreinrichtung ein Impulsgenerator (10) ist, der mit dem Rotor verbunden ist.

3. Steuervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoreinrichtung (10) eine Einrichtung zum Ermitteln einer Gegen-EMK, in jeder der Statorwicklungen (2U, 2V, 2W) der einzelnen Phasen und eine Einrichtung zum Bestimmen der Drehposition und der Drehzahl des Rotors in Abhängigkeit von jeder der ermittelten Gegen-EMKs aufweist.

4. Steuervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergleichseinrichtung (13) ein Proportionalverstärker ist.

5. Steuervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergleichseinrichtung (13) ein Proportional/ Integral-Verstärker ist.

6. Steuervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoreinrichtung (10) so ausgebildet ist, daß die Steuerströme Sinuswellenströme sind, die einen Maximalwert haben, der proportional zum Differenzwert (I_rs) oder zur Vektorsumme (I_rs, I_XS) ist.

7. Steuervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromsteuereinrichtung eine Gleichrichtereinrichtung (4) zum Gleichrichten eines Wechselstroms, eine Invertereinrichtung (6) zum Umwandeln eines durch die Gleichrichtereinrichtung (4) erzeugten Gleichstroms in dreiphasige Wechselströme und eine Steuereinrichtung (20u, 20v, 20w) zum Steuern der Invertereinrichtung (6) in Abhängigkeit von den Steuerströmen aufweist.