DE4009258A1 - Verfahren und elektronische regelschaltung zur regelung eines buerstenlosen gleichstrommotors - Google Patents
Verfahren und elektronische regelschaltung zur regelung eines buerstenlosen gleichstrommotorsInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung eines bürstenlosen Gleichstrommotors,
der Ständerwicklungen und einen Permanentmagnetläufer
aufweist und bei dem die Läuferposition mittels induzierter Spannungen
detektierbar ist. Die Erfindung bezieht sich weiterhin auf eine elektronische
Regelschaltung für einen solchen bürstenlosen Gleichstrommotor, mit einem
Wechselrichter, der einen Strom in die Ständerwicklungen einspeist, mit einer
Sensorschaltung zum Detektieren der relativen Position zwischen Ständer und
Läufer mittels induzierter Spannungen, und mit einer Steuerschaltung, die
Daten über den vom Wechselrichter in die Ständerwicklungen eingespeisten
Strom, Daten über die Läuferposition sowie Daten über die Bezugsdrehzahl
bearbeitet und Steuersignale an Schaltelemente des Wechselrichters abgibt.
Bürstenlose Gleichstrommotore (im folgenden kurz: "Motore" oder "Elektromotore"
genannt) sind insbesondere für solche Anwendungen von Interesse, die
eine große Verläßlichkeit und einen hohen Wirkungsgrad erfordern, so etwa bei
Haushaltsgeräten, Pumpen und Ventilatoren.
Diese Motoren bestehen im wesentlichen aus einem Ständer mit Wicklungen,
einem Permanentmagnetläufer, einem Wechselrichter, der Strom in die Ständerwicklungen
einspeist, einem Läuferpositionssensor, der Daten darüber abgibt,
zu welchem Zeitpunkt und mit welcher Periode jeder Wicklungssatz mit Strom
gespeist werden soll, und aus einer zentralen Steuereinheit, welche die Daten
über den Strom, die Drehzahl und die Position des Läufers beobachtet und
Steuerimpulse an den Wechselrichter abgibt.
In einigen Anwendungsgebieten, für die Elektromotore mit insbesondere
einfachen konstruktiven und robustem Aufbau gefragt sind, bei denen jedoch
keine Läuferpositionssensoren der Hallschen oder optischen Art o. ä. zum
Einsatz kommen, wird die Läuferposition durch Überwachung der in den Motorwicklungen
induzierten Spannungen detektiert. Diese Motortypen erfordern
eine besondere Anlaßtechnik, weil in statischer Lage bei stillstehendem Läufer
keine Spannung in den Wicklungen induziert werden und somit die Läuferposition
nicht bekannt ist.
Zum Anlassen derartiger Elektromotoren sind verschiedene Techniken bekannt.
Eine dieser Techniken besteht darin, die Läuferposition bei Läuferstillstand
mittels eines zweiten Sensors zu detektieren, der nur zum Anlassen des Motors
eingesetzt wird. Auf diesem Weg ist eine Entscheidung darüber möglich, in
welche Phasen Strom eingespeist werden muß, damit zum Anlassen des Elektromotors
ein Drehmoment in der gewünschten Drehrichtung erzeugt wird. Der
Nachteil dieser bekannten Lösung liegt im Erfordernis eines zusätzlichen
Sensors, der nebst den Anschlüssen an die Steuerschaltung im Inneren des
Motors untergebracht werden muß, wodurch der bauliche Aufwand und die
Kosten ansteigen.
Eine weitere bekannte Technik zum Anlassen eines Elektromotors ist in der
japanischen Patentveröffentlichung Kokei Nr. 55-5035 A beschrieben und
besteht darin, den Wechselrichter unter Ignorierung der zum Detektieren der
Läuferposition verwendeten induzierten Spannungen zu veranlassen, den
Ständerwicklungen in der richtigen Reihenfolge Strom einzuspeisen und dabei
stufenweise die Frequenz zu erhöhen, worauf der Läufer bis zu einer
bestimmten Drehzahl beschleunigt wird, bei der die in den Ständerwicklungen
induzierten Spannungen jedenfalls ausreichen, die Läuferposition mit ihrer
Hilfe zu detektieren. In dieser ersten Stufe arbeitet der Motor als ein
Synchronmotor.
Wenn dieser Zustand erreicht ist, überwacht die Regelschaltung die durch den
Positionssensor mittels der in den Ständerwicklungen induzierten Spannungen
ermittelten Daten bzw. Informationen, die Beschleunigung wird fortgesetzt und
der Elektromotor geht in seinen normalen selbstgeregelten Betrieb über. Ein
Nachteil dieser Technik liegt darin, daß je nach der an der Welle des Elektromotors
angeschlossenen Last während der Anlaßphase im Synchronbetrieb der
Synchronismus verlorengehen kann, woraufhin der Läufer stoppen oder es in
einigen Fällen auch zu einem Anlaufen in umgekehrter, der gewünschten Drehrichtung
entgegengesetzter Drehrichtung kommen kann. Ein weiterer Nachteil
liegt in dem verhältnismäßig hohen (mechanischen) Schwingungspegel während
des Synchronbetriebes. Die Verwirklichung der genannten Technik kann sehr
aufwendig sein, insbesondere wenn das Verfahren zur Bestimmung des Zeitpunkts
und der Bedingungen für den Übergang vom Synchronbetrieb zum selbstgeregelten
Betrieb auf der Überwachung der Phase zwischen dem intern
erzeugten Synchronsignal und den vom Positionssensor mittels der induzierten
Spannungen abgegebenen Signalen beruht. Diese bekannte Technik findet unter
Zuhilfenahme eines Mikroprozessors Anwendung.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nun, ein Verfahren und eine
Schaltung zur Regelung eines bürstenlosen Gleichstrommotors vorzuschlagen,
bei der auch unter Schwerlastbedingungen ein einwandfreies und schwingungsfreies
Anlassen des Motors möglich ist.
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art
erfindungsgemäß durch folgende Verfahrensschritte gelöst:
- a) Es wird ein Strom mit bis zu einem vorbestimmten Grenzwert ansteigender Stromstärke in einem bestimmten Wicklungssatz des Ständers eingespeist, wodurch der Läufer in eine bestimmte Position gesetzt wird. Dieser Verfahrensschritt ist der erste Schritt zum Anlassen der elektrischen Maschine und erstreckt sich über eine bestimmte Zeitdauer.
- b) Der Strom wird sodann, unter Beibehaltung der im vorangegangenen Verfahrensschritt erreichten Stromstärke, auf einen anderen Wicklungssatz des Ständers aufgeschaltet, wodurch der Läufer in eine andere Relativlage zum Ständer übergeht, was einem Wicklungsschritt in der gewünschten Drehrichtung des Läufers entspricht. Dieser Verfahrensschritt ist der zweite Abschnitt des Anlaßvorgangs und erstreckt sich wiederum über eine bestimmte Zeitdauer.
- c) Hiernach erfolgt als nächster Schritt der Übergang in den selbstgeregelten Betrieb, wobei eine Überwachung der Läuferposition mittels induzierter Spannungen durch einen Sensor vorgenommen wird.
- d) Sobald die Motordrehzahl einen vorbestimmten Minimalwert überschreitet, erfolgt selbstgeregelter Betrieb. Dieser Verfahrensschritt erstreckt sich über eine unbestimmte zeitliche Länge und entspricht der Dauer des (normalen) Motorbetriebs.
- e) Sollte die Motordrehzahl den unteren Grenzwert (Minimalwert) unterschreiten, wird die Stromversorgung des elektrischen Motors für einen bestimmten Zeitabschnitt unterbrochen, nach dessen Beendigung der Regelungszyklus von neuem beginnt.
Die obengenannte Aufgabe wird ferner bei einer elektronischen
Regelschaltung für einen bürstenlosen Gleichstrommotor der eingangs
genannten Art erfindungsgemäß durch folgende Bauteile und deren Beschaltung
gelöst: durch eine Logikschaltung oder Digitalspeichereinheit, durch
Verzögerungsglieder, die in Reihe geschaltet sind und deren erstes von einem
durch die Logikschaltung bereitgestellten Logiksignal getriggert wird und mit
seinem Ausgang sowohl an einem der Eingänge der Logikschaltung wie auch an
den Eingang des nächsten Verzögerungsgliedes (und auf diese Weise fortlaufend)
angeschlossen ist, ferner durch eine mittels des Logiksignals
getriggerte Schaltung zur Steuerung der Maschinenstromversorgung, durch eine
Detektierschaltung zum Detektieren der unteren Drehzahlgrenze des Gleichstrommotors,
durch eine Frequenz-Spannungs-Umformerschaltung, durch eine
Komparatorschaltung mit einer Hysterese zur Steuerung des dem Gleichstrommotor
zugeführten Stromes, und durch einen Regelkreis, der ein der
Maschinen-Ist-Drehzahl entsprechendes Analogsignal und ein der
Maschinen-Soll-Drehzahl entsprechendes, extern erzeugtes Bezugssignal erhält
und ein Analogsignal abgibt, das dem in den Gleichstrommotor einzuspeisenden
Strom entspricht.
Die Vorteile der Erfindung liegen insbesondere darin, daß mit diesem
Verfahren und dieser Regelschaltung die Möglichkeit geschaffen wird, den
Anlaßvorgang einer beispielsweise im Motorbetrieb arbeitenden elektrischen
Maschine von Zeit zu Zeit zu wiederholen, sogar wenn die an den Elektromotor
angeschlossene Last die Anlaßleistung des Motors übersteigt oder die
Überlast eine Drehung des Läufers stoppt. Ein weiterer Vorteil der Erfindung
ist auch darin zu sehen, daß ein Anlassen des Elektromotors ohne weitere
Sensoren zum Detektieren der Läuferposition bei Stillstand des Läufers
möglich ist.
Mit der erfindungsgemäßen Regelschaltung wird ohne die Verwendung eines
Mikroprozessors ein einfacher elektronischer Schaltkreis angegeben, der die
weiter obengenannten Nachteile des Standes der Technik vermeidet.
Vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens sowie der Schaltung zur Regelung
einer bürstenlosen elektrischen Maschine sind in den Unteransprüchen angegeben.
So ist beispielsweise zur zeitlichen Vorgabe für einzelne Verfahrensschritte
vorteilhafterweise vorgesehen, daß die Verfahrensschritte a), b) und c) eine
vorbestimmte zeitliche Länge besitzen und entsprechend die erste, zweite und
dritte Stufe des Anlaßvorganges umfassen, und daß der Verfahrensschritt d)
eine unbestimmte zeitliche Länge aufweist und der Betriebsstufe des Elektromotors
entspricht.
In vorteilhafter Weiterbildung der Regelschaltung ist vorgesehen, daß die Logikschaltung
oder Speichereinheit die folgenden Eingangssignale (Adressen)
bearbeitet: Logiksignale von der Sensorschaltung zum Detektieren der Läuferposition
mittels induzierter Spannungen, Logiksignale von den Verzögerungsgliedern,
Logiksignale von der Detektierschaltung, ein Logiksignal zur
Steuerung der Schaltelemente des Wechselrichters und ein Logiksignal zur
Gesamtsteuerung. Ferner gibt die Logikschaltung oder Speichereinheit die
folgenden Ausgangssignale (Daten) ab: Logiksignale zur Einzelsteuerung jedes
Schaltelementes des Wechselrichters, das Logiksignal zur Triggerung der
Verzögerungsglieder und zur stufenweisen Steuerung des Maschinenstromes,
und ein Logiksignal mit einer zur Maschinendrehzahl proportionalen Frequenz.
Zur Bestimmung der einzelnen Zeitabschnitte des Verfahrens wird vorteilhafterweise
vorgesehen, daß die Zeitzählung bei jeder Änderung des Logikpegels am
Eingang der Verzögerungsglieder getriggert wird.
Von Vorteil ist es auch, wenn die Schaltung den Speisestrom für die
elektrische Maschine in der ersten Phase des Anlassens stufenweise ansteigend
steuert, und ferner, wenn das Ausgangssignal der Schaltung zur Steuerung der
Stromeinspeisung in die elektrische Maschine den maximalen Spannungsgrenzwert
steuert, der dem in die Maschine einzuspeisenden Strom entspricht.
Eine andere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, daß die Detektierschaltung
zum Detektieren der unteren Drehzahlgrenze der elektrischen Maschine ein
Logiksignal abgibt, das aus dem Vergleich zwischen einem analogen Spannungswert,
welcher der jeweiligen Momentangeschwindigkeit der elektrischen
Maschine entspricht, und einem Spannungswert aus einem Spannungsteiler, der
einstellbar ist und der für den Betrieb der elektrischen Maschine noch
zulässigen Minimaldrehzahl entspricht, resultiert, und ferner, daß der
Frequenz-Spannungs-Umformer ein von der Logikschaltung abgegebenes Logiksignal
erhält und ein der momentanen (Ist-)Drehzahl entsprechendes Analogsignal
erzeugt.
Eine andere vorzugsweise Weiterbildung sieht vor, daß die Komparatorschaltung,
die mit einer Hysterese zur Steuerung des in der Gleichstrommaschine
eingespeisten Stromes ausgestattet ist, aus dem Vergleich zwischen
dem dem momentanen (Ist-)Strom in der elektrischen Maschine
entsprechenden Analogsignal und dem Analogsignal, das dem der elektrischen
Maschine einzuspeisenden (Soll-)Strom entspricht, ein Logiksignal erzeugt.
Eine vorteilhafte Ausführungsform des in der Regelschaltung zur Anwendung
kommenden Regelkreises sieht eine PID-Schaltung vor, mit der die bekannten
Vorteile (Schnelligkeit usw.) erzielt werden.
Die erfindungsgemäße Lösung umfaßt schließlich auch ein Verfahren zur
Regelung eines bürstenlosen Gleichstrommotors, der Ständerwicklungen und
einen Permanentmagnetläufer aufweist, bei dem die Läuferposition mittels
induzierter Spannung detektiert wird und der mittels einer elektronischen
Regelschaltung betrieben wird, die folgende Bauteile aufweist: einen Wechselrichter,
der einen Strom in die Ständerwicklungen einspeist, eine Sensorschaltung
zum Detektieren der relativen Position zwischen Ständer und Läufer
mittels induzierter Spannungen, und eine Steuerschaltung, die Daten über den
vom Wechselrichter in die Ständerwicklungen eingespeisten Strom, Daten über
die Läuferposition sowie Daten über die Bezugsdrehzahl bearbeitet und Steuersignale
an Schaltelemente des Wechselrichters abgibt, wobei das Verfahren
folgende Verfahrensschritte aufweist: es wird ein Strom mit bis zu einem
vorbestimmten Grenzwert ansteigender Stromstärke in einem bestimmten
Wicklungssatz des Ständers eingespeist, wodurch der Läufer in eine bestimmte
Position gesetzt wird; der Strom wird unter Beibehaltung der im vorangegangenen
Verfahrensschritt erreichten Stromstärke, auf einen anderen
Wicklungssatz des Ständers aufgeschaltet, wodurch der Läufer eine andere
relative Position zum Ständer einnimmt, was einen Wicklungsschritt in die
gewünschte Drehrichtung des Läufers entspricht, Übergang in den selbstgeregelten
Betrieb, dabei Überwachung der Läuferposition mittels induzierter
Spannungen durch einen Sensor; sobald die Motordrehzahl einen vorbestimmten
Minimalwert überschreitet, erfolgt selbstgeregelter Betrieb; sollte die Motordrehzahl
den Minimalwert (unteren Grenzwert) unterschreiten, dann wird die
Stromversorgung der elektrischen Maschine für einen bestimmten Zeitraum
unterbrochen, nach dessen Beendigung der Regelzyklus von neuem begonnen
wird.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung im Prinzip im Rahmen
eines bevorzugten Ausführungsbeispiels noch näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein Flußdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens;
Fig. 2 ein Schaltbild der erfindungsgemäßen Regelschaltung;
Fig. 2A ein Schaltbild des Wechselrichters;
Fig. 2B ein Schaltdigramm der Maschinenströme;
Fig. 3 ein Schaltbild der Steuerschaltung;
Fig. 3A ein Schaltbild eines Verzögerungsgliedes;
Fig. 4 ein Zeitdiagramm für die einzelnen Steuer- bzw. Verfahrensschritte, und
Fig. 5 eine Tabelle der Eingangssignale (Adressen) sowie der Ausgangssignale
(Daten) der Logikschaltung bzw. der Speichereinheit.
Zunächst wird auf Fig. 2 Bezug genommen, die einen Wechselrichter 10 zeigt,
der mittels dreier Phasen Φ 1, Φ 2, Φ 3 Ströme I₁, I₂, I₃ in einen bürstenlosen
Elektromotor 20 einspeist.
Die Spannungen der Phasen Φ 1, Φ 2, Φ 3 liegen auch an einer Sensorschaltung
30 an. Die Klemme 11 einer Spannungsquelle 40 mit negativem
(Bezugs-)Potential für alle Schaltungsteile ist ebenfalls mit der Sensorschaltung
30 verbunden.
Mittels der Ausgangsdaten P₁, P₂ und P₃ gibt die Sensorschaltung 30 drei
Logiksignale, die der relativen Position zwischen Ständer und Läufer des
Elektromotors entsprechen, an eine Steuerschaltung 45 ab.
Als Funktion der durch ein Spannungssignal am Eingang I m der Steuerschaltung
45 reräsentierten Daten über die Läuferposition und den vom Elektromotor
aufgenommenen Strom sowie als Funktion der durch ein Spannungssignal am
Eingang W ref der Steuerschaltung 45 repräsentierten Daten über die Bezugsdrehzahl
gibt die Steuerschaltung 45 logische Steuersignale über Ausgänge S₁
bis S₆ an Schaltelemente T₁ bis T₆ des Wechselrichters 10 ab.
Wie aus Fig. 2A in Verbindung mit Fig. 2B ersichtlich ist, steuert der Wechselrichter
10, der aus sechs durch Signale S₁ bis S₆ gesteuerten elektronischen
Schaltelementen T₁ bis T₆ sowie aus sechs Dioden D₁ bis D₆ besteht, die
Ströme I₁, I₂ und I₃ (Fig. 2), die über die Phasen Φ 1, Φ 2, Φ 3 an den
Elektromotor 20 in der aus dem Zeitdiagramm der Fig. 2B ersichtlichen
Reihenfolge abgegeben werden.
Wie aus Fig. 1 entnehmbar ist, besteht das Verfahren zum Anlassen und zum
Betrieb eines Gleichstrommotors aus einem ersten Anlaß-Verfahrensschritt, bei
dem einem bestimmten Wicklungssatz Strom eingespeist wird, dessen Stromstärke
allmählich von einem Wert Null bis zu einem dem maximalen Drehmoment
des Elektromotors entsprechenden Wert ansteigt, wodurch der Läufer
mittels einer sanften Bewegung und daher unter Vermeidung von Schwingungen
oder Vibrationen aus seiner unbekannten Ruheposition in eine bestimmte
Position 1 verdreht wird, die in Fig. 2B dargestellt ist. Dieser Verfahrensschritt
erstreckt sich über eine bestimmte zeitliche Länge t₁.
Im zweiten Anlaß-Verfahrensschritt wird der Strom in einen anderen Wicklungssatz
eingespeist, wobei die in Fig. 2B dargestellte Position 2 dem winkelmäßigen
Fortschreiten im Ständerfeld um einen Wicklungsschritt in die
gewünschte Drehrichtung entspricht.
Auf diese Weise wird der Läufer mit einer maximalen Beschleunigung in der
gewünschten Drehrichtung in Drehbewegung versetzt. Die zeitliche Dauer
dieses Verfahrensschritts entspricht einer bestimmten, in Fig. 1 angegebenen
Zeitdauer t₂. Diese Zeitdauer muß in etwa der Dauer der Zeit entsprechen,
die der Läufer benötigt, um von Position 1 in die Position 2 zu drehen.
Am Ende der Zeitspanne t₂, wenn der Läufer die Position 2 erreicht hat, wird
die Drehzahl des Läufers bereits ausreichend groß sein, damit die Sensorschaltung
30 (Fig. 2), die der Detektion der Läuferposition dient, die richtige
Läuferposition anzeigen kann.
Der dritte Anlaß-Verfahrensschritt (Fig. 1) besteht schließlich darin, den
Ständerwicklungen 1, 2, 3 des Elektromotors 20 in Abhängigkeit von der durch
die Sensorschaltung 30 mittels induzierter Spannungen ermittelten Läuferposition
und entsprechend der im Zeitdiagramm der Fig. 2B angegebenen
Reihenfolge Strom einzuspeisen. Damit beginnt der selbstgeregelte Betrieb des
Motors.
Dieser dritte Verfahrensabschnitt (vgl. Fig. 1), in dem der selbstgeregelte
Betrieb unbedingt erreicht wird, erstreckt sich über eine bestimmte zeitliche
Dauer t₃, während der die Motordrehzahl ansteigt, sofern der Anlaßvorgang
erfolgreich ist. Sollte allerdings die Welle des Elektromotors blockiert oder
mit einer zu großen Last beaufschlagt sein, wird der Läufer in die Ruheposition
zurückkehren.
Der vierte Verfahrensabschnitt (Fig. 1) besteht in einer Fortsetzung des selbstgeregelten
Betriebs in Abhängigkeit von der Motordrehzahl, deren Wert über
einem bestimmten unteren bzw. Minimalgrenzwert liegt (Rot < R min). Wenn
der Anlaßvorgang erfolgreich war, läuft der Elektromotor unter gleichbleibenden
Betriebsbedingungen im Normalbetrieb, von dem er dann abweicht,
wenn eine Überlast die Drehzahl unter den vorgegebenen unteren Grenzwert
absinken läßt. Sollte der Anlaßvorgang aufgrund mechanischer Blockierung des
Läufers oder einer Überlast erfolglos verlaufen oder die Motordrehzahl
während des Normalbetriebs unter den unteren Grenzwert absinken, beginnt
der fünfte Verfahrensschritt.
In diesem fünften Verfahrensschritt (Fig. 1) sind alle Schaltelemente T₁ bis T₆
offen, so daß die Stromversorgung für die Ständerwicklungen unterbrochen ist.
Dieser Zustand wird bis zum Ablauf einer Zeitspanne t₄ beibehalten.
Diese Zeitspanne t₄ kann je nach Gegebenheit variieren und ihre Aufgabe
besteht darin, zum Start eines erneuten Anlaßvorgangs den völligen Stillstand
des Läufers oder eine Abnahme der Überlast, die den Läufer des Elektromotors
zum Stoppen veranlaßt hat, abzuwarten.
Fig. 3 zeigt ein Schaltbild der Steuerschaltung 45 als Anlaß- und Betriebsschaltung,
die eine Kombinationslogikschaltung oder Digitalspeichereinheit 50
enthält, welche ein ROM- oder EPROM-Speicher sein kann, in dem ein z. B. in
der Tabelle der Fig. 5 dargestellter Datensatz gespeichert ist.
Zu Beginn eines Betriebszyklusses des Elektromotors, wenn der Eingang 60
(Fig. 3) der Speichereinheit 50 auf den Logikpegel Null gesetzt wird, enthalten
alle Ausgänge S₁ bis S₆ den Logikpegel Null. Die Ausgangssignale S₁ bis S₆
steuern jeweils die Schaltelemente T₁ bis T₆ und der Logikpegel Null der
Ausgangssignale entspricht dem geöffneten Zustand der Schaltelemente.
In diesem durch die erste Zeile der Tabelle in Fig. 5 dargestellten Zustand
sind die Schaltelemente geöffnet, ungeachtet des Zustands der anderen
Eingänge der Speichereinheit 50. Ferner liegt der Ausgang S₈ der Speichereinheit
50 in diesem Zustand auf dem Logikpegel Null, ebenso die Ausgänge P x
bzw. P y bzw. P z jedes Verzögerungsgliedes 70 bzw. 80 bzw. 90. Ferner ist in
diesem Zustand das Schaltelement 141 der Schaltung 140 (Fig. 3) geschlossen,
wodurch der Spannungspegel am Ausgang I ref sehr nahe bei Null liegt und auch
an der Bezugsklemme 11 anliegt.
Wenn die Eingangsklemme 60 für die Generalsteuerung auf den Logikpegel 1
gesetzt wird, beginnt der Verfahrensschritt 1 für das Anlassen, was den Logikzuständen
der Zeilen 2 und 3 der Tabelle nach Fig. 5 entspricht. In dem durch
die Zeile 2 dargestellten Zustand enthalten die Ausgänge S₁ und S₅ ebenfalls
den Logikpegel 1, was bedeutet, daß die Schaltelemente T₁ und T₅ des
Wechselrichters 10 (Fig. 2) geschlossen sind und somit Strom in die Wicklungen
1 und 2 des Elektromotors 20 eingespeist wird, worauf der Läufer in Position 1
gesetzt wird (Fig. 2B). In dieser wie in jeder anderen Lage erfolgt die
Steuerung des Motorstroms durch Öffnen oder Schließen des Wechselrichter-Schaltelementpaares,
das in dieser Lage gerade angewählt ist. Diese
Generalsteuerung der Schaltelemente erfolgt durch ein am Eingang E₉ der
Speichereinheit 50 präsentes Logiksignal eines mit einer Hysterese
ausgetatteten Spannungskomparators 100 (Fig. 3 und Fig. 5). Dieser
Komparator 100 vergleicht die Spannung an der Klemme I m, die einem
momentanen (Ist-)Strom im Motor entspricht, mit der Spannung an der
Klemme I ref, die dem in den Motor einzuspeisenden (Soll-)Strom entspricht.
Das Ausgangssignal S₈ der Speichereinheit 50 nimmt in dieser Lage den Logikpegel
1 ein, wodurch das zeitzählende Verzögerungsglied 70 getriggert wird,
und das Ausgangssignal S₈ öffnet gleichzeitig das Schaltelement 141 der
Schaltung 140, wodurch die Spannung an der Klemme I ref allmählich auf die
Spannung V z eines Begrenzers 142 ansteigt, mit dem Ergebnis eines
allmählichen Anstiegs des Motorstroms während des ersten Anlaßabschnitts,
wie dies im Zeitdiagramm der Fig. 4 dargestellt ist zu dem Zeitpunkt, an
dem der Logikpegel am Ausgang P x des die Zeitspanne t₁ bestimmenden
Verzögerungsgliedes 70 den Wert 1 annimmt (Eingang P x der Speichereinheit
50), ist der Zustand so, wie er in den Zeilen 4 und 5 der Tabelle aus Fig. 3
dargestellt ist, wenn die Schaltelemente T₁ und T₆ so geschaltet sind, daß ihre
Schaltstellung der Position 2 (Fig. 2B) entspricht. Das ist der zweite Abschnitt
des Anlassens. Der Logikpegel 1 am Eingang des Verzögerungsgliedes 80, das
den Zeitabschnitt t₂ bestimmt, triggert die Zeitzählung dieses Verzögerungsgliedes.
Nach Ablauf des Zeitabschnitts t₂ hat der Läufer die Position 2
erreicht (Fig. 2, 3 und 4) und wird sich bereits in der gewünschten Richtung
drehen. Zu diesem Zeitpunkt wird der Ausgang des Verzögerungsgliedes 80 den
Logikpegel 1 einnehmen (Eingang P y der Speichereinheit 50) und der dritte
Abschnitt des Anlassens (Fig. 1 und Fig. 4) entsprechend irgendeiner der Zeilen
6 bis 17 in der Tabelle aus Fig. 5 beginnt.
Der Logikpegel 1 am Ausgang des Verzögerungsgliedes 80 triggert die Zeitzählung
des Verzögerungsgliedes 90 (Fig. 4), das die Zeitspanne t₃ bestimmt.
In diesem Verfahrensabschnitt bestimmt sich das anzusprechende Schaltelementpaar
als eine Funktion der Daten über die Läuferposition, die in dem
von der Sensorschaltung 30 (Fig. 2) über die Ausgänge (P₁, P₂ und P₃)
abgegebenen Logiksignal enthalten sind. Der Elektromotor nimmt unter der
Betriebsbedingung einer Beschleunigung den selbstgeregelten Zustand ein, bis
der Läufer diejenige Drehzahl erreicht, die durch die Spannung am Eingang
W ref bestimmt wird. In diesem Betriebszustand wird, wenn sich der Läufer
dreht, die Reihenfolge des Zeitdiagramms gemäß Fig. 2B erfüllt, die der Folge
der Zeilen 6 bis 11 oder 12 bis 17 der Tabelle aus Fig. 5 entspricht. Wenn
diese Reihenfolge eingehalten wird, enthält der Ausgang S₇ der Speichereinheit
50 (Fig. 2B) ein Logiksignal mit einer zur Läuferdrehzahl proportionalen
Frequenz, die durch den Frequenz-Spannungs-Umwandler 120 in einen
entsprechenden Spannungspegel umgewandelt wird, der an der Ausgangsklemme
W a des Umwandlers 120 anliegt (Fig. 3). Der Vergleich dieser Spannung mit
der Spannung, die durch den Spannungsteiler 160 an der Ausgangsklemme W min
erzeugt wird und der minimalen Grenzdrehzahl des Läufers für den Betrieb des
Motors entspricht, führt zu einem Logiksignal am Ausgang des Komparators
110, das von der Ausgangsklemme E₂ an die Speichereinheit 50 abgegeben
wird. Der Logikpegel an der Ausgangsklemme E₂ gibt an, ob der Läufer mit
einer Drehzahl oberhalb oder unterhalb des unteren Grenzwertes, wie sie durch
die entsprechende Spannung an der Klemme W min vorgegeben wird, rotiert.
Der vierte Verfahrensabschnitt beginnt, wenn nach Ablauf der Zeitspanne t₃
das Verzögerungsglied 90 (Fig. 3), das zu Beginn des dritten Abschnitts
getriggert wurde, an seinem Ausgang P z den Logikpegel 1 annimmt. Der vierte
Verfahrensabschnitt (Fig. 4) entspricht den Zeilen 18 und 29 in der Tabelle aus
Fig. 5.
Dieser vierte Verfahrensabschnitt unterscheidet sich vom vorhergegangenen
dritten Verfahrensabschnitt dadurch, daß die Dauer des vierten Abschnitts
davon abhängt, daß die momentane (Ist-)Drehzahl des Läufers oberhalb des
unteren Drehzahl-Grenzwertes liegt, wie er durch die Spannung an der
Klemme W min vorgegeben wird. Unter gleichbleibenden Bedingungen wird der
Motor in diesem Verfahrensabschnitt für eine unbestimmte Zeit unter Abfolge
der Steuersequenz der Schaltelemente des Wechselrichters als Funktion der
Daten über die Läuferposition, die von der Sensorschaltung 30 bereitgestellt
werden, arbeiten.
In diesem Verfahrensabschnitt wird der Ausgang S₈ (Fig. 3) der Speichereinheit
50 auf dem Logikpegel 1 gehalten, wodurch der Schalter 141 offen und die
Ausgänge P x, Py und P z der Verzögerungsglieder 70, 80 und 90 auf dem Logikpegel
1 gehalten werden. Die Drehzahlregelung unter gleichbleibenden Betriebsbedingungen
als Funktion der Laständerung wird durch eine PID-Regelschaltung
130 ausgeführt, die in Abhängigkeit von der Spannung an der Klemme W a
(momentane Drehzahl) und der Spannung an der Klemme W ref (Soll-Drehzahl)
ein Spannungssignal am Ausgang 1 erzeugt, das proportional zu dem in den
Motor einzuspeisenden Strom ist. Jede Lastzunahme wird durch eine
entsprechende proportionale Zunahme des Stroms ausgeglichen und hält somit
die Drehzahl auf einem bestimmten Wert.
Der fünfte Verfahrensschritt beschreibt einen Zustand, bei dem zu irgendeiner
Zeit die Momentandrehzahl unter den vorbestimmten unteren Grenzwert
absinkt, woraufhin der Logikpegel am Ausgang E₂ des Komparators 110 den
Wert 1 annimmt. Dieser Zustand entspricht der Zeile 30 in der Tabelle nach
Fig. 5. Während dieses Verfahrensabschnitts haben alle Ausgänge S₁ bis S₆ den
Wert Null, wodurch alle Schaltelemente T₁ bis T₆ (Fig. 2) des Wechselrichters
19 offengehalten werden und somit die Stromzufuhr in die Wicklungen des
Motors unterbrochen wird. Ferner liegt der Logikpegel des Ausgangs S₈ der
Speichereinheit 50 in diesem Verfahrensabschnitt auf Null, wodurch das Schaltelement
141 (Fig. 3) geschlossen und ferner eine neue Folge von Triggerungen
der Verzögerungsglieder 70, 80, 90 gestartet wird, wie dies im Zeitdiagramm
der Fig. 4 dargestellt ist.
Immer dann, wenn der Logikpegel am Ausgang P z des Verzögerungsgliedes 90
den Wert 1 annimmt, wird der fünfte Verfahrensabschnitt eingenommen bzw.
beibehalten.
Wenn der Ausgang P z des Verzögerungsgliedes 90 den Logikpegel Null
annimmt, wird nach Ablauf einer Zeitspanne t₄ (Fig. 4) der erste Verfahrensabschnitt
(Fig. 1) wieder erreicht und ein neuer Anlaßvorgang beginnt. Die
Zeitspanne t₄ (Fig. 4) wird ab Beginn des fünften Verfahrensabschnitts erfaßt
und gezählt, wenn der Ausgang S₈ der Speichereinheit 50 (Fig. 3) den Logikpegel
Null annimmt, und zwar bis zum Erreichen des Zeitpunkts, in dem alle
Ausgänge P x, Py, Pz der Verzögerungsglieder 70, 80, 90 den Logikpegel Null
annehmen. Die Zeitspanne t₄ ist nahezu gleich der Summe der Zeitspannen t₁,
t₂ und t₃ (Fig. 4).
Claims (13)
1. Verfahren zur Regelung eines bürstenlosen Gleichstrommotors, der Ständerwicklungen
und einen Permanentmagnetläufer aufweist, dessen Läuferposition
mittels induzierter Spannungen detektiert wird, gekennzeichnet durch folgende
Verfahrensschritte:
- a) Es wird ein Strom mit bis zu einem vorbestimmten Grenzwert ansteigender Stromstärke in einem bestimmten Wicklungssatz des Ständers eingespeist, wodurch der Läufer in eine bestimmte Position gesetzt wird;
- b) Der Strom wird, unter Beibehaltung der im vorangegangenen Verfahrensschritt erreichten Stromstärke, auf einen anderen Wicklungssatz des Ständers aufgeschaltet, wodurch der Läufer in eine andere relative Position zum Ständer übergeht, was einem Wicklungsschritt in die gewünschte Drehrichtung des Läufers entspricht;
- c) Überleitung in den selbstgeregelten Betrieb, dabei Überwachung der Läuferposition mittels induzierter Spannungen durch einen Sensor;
- d) Sobald die Motordrehzahl einen vorbestimmten Minimalwert überschreitet, erfolgt selbstgeregelter Betrieb, und
- e) die Stromversorgung des Gleichstrommotors wird für einen bestimmten Zeitabschnitt unterbrochen, wenn die Motordrehzahl den Minimalwert (unteren Grenzwert) unterschreitet, und nach Beendigung dieses Zeitabschnitts beginnt der Regelungszyklus von neuem.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verfahrensschritte
a), b) und c) eine bestimmte zeitliche Länge aufweisen und den
ersten, zweiten und dritten Verfahrensschritt des Anlassens der elektrischen
Maschine beinhalten.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verfahrensschritt
d) eine unbestimmte zeitliche Länge aufweist und den Zeitabschnitt
des Betriebs der elektrischen Maschine umfaßt.
4. Elektronische Regelschaltung für einen bürstenlosen Gleichstrommotor, der
Ständerwicklungen und einen Permanentmagnetläufer aufweist und bei dem die
Läuferposition mittels induzierter Spannungen detektierbar ist, mit einem
Wechselrichter, der einen Strom in die Ständerwicklungen einspeist, mit einer
Sensorschaltung zum Detektieren der relativen Position zwischen Ständer und
Läufer mittels induzierter Spannungen, und mit einer Steuerschaltung, die
Daten über den vom Wechselrichter in die Ständerwicklungen eingespeisten
Strom, Daten über die Läuferposition sowie Daten über die Bezugsdrehzahl
bearbeitet und Steuersignale an Schaltelemente des Wechselrichters abgibt,
gekennzeichnet durch:
- a) Eine Logikschaltung oder Digitalspeichereinheit (50);
- b) Verzögerungsglieder (70, 80, 90), die in Reihe geschaltet sind und deren erstes (70) von einem durch die Logikschaltung (50) bereitgestellten Logiksignal (S₈) getriggert wird und mit seinem Ausgang (P x) sowohl an einen der Eingänge der Logikschaltung (50) wie auch an den Eingang des nächsten Verzögerungsgliedes (80) (und auf diese Weise fortlaufend) angeschlossen ist;
- c) Eine mittels des Logiksignals (S₈) getriggerte Schaltung (140) zur Steuerung der Maschinenstromversorgung;
- d) Eine Detektierschaltung (110) zum Detektieren der unteren Drehzahlgrenze der elektrischen Maschine (10);
- e) Eine Frequenz-Spannungs-Umformerschaltung (120);
- f) Eine Komparatorschaltung (100) mit einer Hysterese zur Steuerung des dem Gleichstrommotor zugeführten Stromes, und durch
- g) einen Regelkreis (130), der ein der Maschinen-Ist-Drehzahl entsprechendes Analogsignal (W a) und ein der Maschinen-Soll-Drehzahl entsprechendes, extern erzeugtes Bezugssignal (W ref) erhält und ein Analogsignal (I) abgibt, das dem in die elektrische Maschine einzuspeisenden Strom entspricht.
5. Regelschaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Logikschaltung
oder Speichereinheit (50)
- 5.1 die folgenden Eingangssignale (Adressen) bearbeitet:
- 5.1.1 Logiksignale (P₁, P₂, P₃) von der Sensorschaltung (30) zum Detektieren der Läuferposition mittels induzierter Spannungen;
- 5.1.2 Logiksignale (P x, Py, Pz) von den Verzögerungsgliedern (70, 80, 90);
- 5.1.3 ein Logiksignal (E₂) von der Detektierschaltung (110);
- 5.1.4 ein Logiksignal (E₉) zur Steuerung der Schaltelemente (T₁ bis T₆);
- 5.1.5 ein Logiksignal (E₁) zur allgemeinen Steuerung, und
- 5.2 die folgenden Ausgangssignale (Daten) abgibt:
- 5.2.1 Logiksignale (S₁ bis S₆) zur Einzelsteuerung jedes Schaltelementes (T₁ bis T₆) des Wechselrichters (10);
- 5.2.2 das Logiksignal (S₈) zur Triggerung der Verzögerungsglieder (70, 80, 90) und zur stufenweisen Steuerung des Maschinenstromes, und
- 5.2.3 ein Logiksignal (S₇) mit einer zur Maschinendrehzahl proportionalen Frequenz.
6. Regelschaltung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die
Zeitzählung bei jeder Änderung des Logikpegels am Eingang der Verzögerungsglieder
(70, 80, 90) getriggert wird.
7. Regelschaltung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet,
daß die Schaltung (140) den Speisestrom für den Gleichstrommotor in der
ersten Phase des Anlassens stufenweise ansteigend steuert.
8. Regelschaltung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet,
daß das Ausgangssignal der Schaltung (140) zur Steuerung der Stromeinspeisung
in den Gleichstrommotor den maximalen Spannungsgrenzwert steuert, der dem
in den Motor einzuspeisenden Strom entspricht.
9. Regelschaltung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet,
daß die Detektierschaltung (110) zum Detektieren der unteren Drehzahlgrenze
des Gleichstrommotors (20) ein Logiksignal (E₂) abgibt, das aus dem Vergleich
zwischen einem analogen Spannungswert (W a), welcher der jeweiligen
Momentangeschwindigkeit des Elektromotors entspricht, und einem Spannungswert
(W min), welcher der für den Betrieb des Elektromotors zulässigen
Minimaldrehzahl entspricht, resultiert.
10. Regelschaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die
Frequenz-Spannungs-Umformerschaltung (120) ein von der Logikschaltung (50)
abgegebenes Logiksignal (S₇) erhält und ein der momentanen (Ist-)Drehzahl
entsprechendes Analogsignal (W a) erzeugt.
11. Regelschaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die
Komparatorschaltung (100), die mit einer Hysterese zur Steuerung des der
elektrischen Maschine eingespeisten Stroms ausgestattet ist, aus einem
Vergleich zwischen dem dem momentanen (Ist-)Strom im Elektromotor
entsprechenden Analogsignal (I m) und dem Analogsignal (I ref), das dem dem
Elektromotor einzuspeisenden (Soll-)Strom entspricht, ein Logiksignal (E₉)
erzeugt.
12. Regelschaltung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß der Regelkreis (130) eine PID-Schaltung enthält.
13. Verfahren zur Regelung einer bürstenlosen elektrischen Maschine, die
Ständerwicklungen und einen Permanentmagnetläufer aufweist, bei der die
Läuferposition mittels induzierter Spannungen detektiert wird, die mittels
einer elektronischen Regelschaltung betrieben wird und die folgende Bauteile
aufweist:
einen Wechselrichter (10), der einen Strom (I₁, I₂, I₃) in die Ständerwicklungen (1, 2, 3) einspeist, eine Sensorschaltung (30) zum Detektieren der relativen Position zwischen Ständer und Läufer mittels induzierter Spannungen, und eine Steuerschaltung (45), die Daten über den vom Wechselrichter (10) in die Ständerwicklungen eingespeisten Strom (I₁, I₂, I₃), Daten (P₁, P₂, P₃) über die Läuferposition sowie Daten über die Bezugsdrehzahl (W ref) bearbeitet und Steuersignale (S₁-S₆) an Schaltelemente (T₁-T₆) des Wechselrichters (10) abgibt, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:
einen Wechselrichter (10), der einen Strom (I₁, I₂, I₃) in die Ständerwicklungen (1, 2, 3) einspeist, eine Sensorschaltung (30) zum Detektieren der relativen Position zwischen Ständer und Läufer mittels induzierter Spannungen, und eine Steuerschaltung (45), die Daten über den vom Wechselrichter (10) in die Ständerwicklungen eingespeisten Strom (I₁, I₂, I₃), Daten (P₁, P₂, P₃) über die Läuferposition sowie Daten über die Bezugsdrehzahl (W ref) bearbeitet und Steuersignale (S₁-S₆) an Schaltelemente (T₁-T₆) des Wechselrichters (10) abgibt, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:
- a) es wird ein Strom mit zu einem vorbestimmten Grenzwert ansteigender Stromstärke in einem bestimmten Wicklungssatz des Ständers eingespeist, wodurch der Läufer in eine bestimmte Position gesetzt wird;
- b) der Strom wird unter Beibehaltung der im vorangegangenen Verfahrensschritt erreichten Stromstärke auf einen anderen Wicklungssatz des Ständers aufgeschaltet, wodurch der Läufer in eine andere relative Position zum Ständer übergeht, was einem Wicklungsschritt in die gewünschte Drehrichtung des Läufers entspricht;
- c) Überleitung in den selbstgeregelten Betrieb, dabei Überwachung der Läuferposition mittels induzierter Spannungen durch einen Sensor;
- d) sobald die Motordrehzahl einen vorbestimmten Minimalwert überschreitet, erfolgt selbstgeregelter Betrieb, und
- e) Unterbrechung der Stromversorgung der elektrischen Maschine für einen bestimmten Zeitabschnitt, falls die Motordrehzahl den Minimalwert (unteren Grenzwert) unterschreitet, und anschließend erneuter Beginn des Regelzyklusses.
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