DE4009258C2 - Verfahren und elektronische Regelschaltung zum Anlassen eines bürstenlosen Gleitstrommotors - Google Patents
Verfahren und elektronische Regelschaltung zum Anlassen eines bürstenlosen GleitstrommotorsInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Anlassen eines bürstenlosen Gleich
strommotors, 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.
Solche Verfahren und Regelschaltungen sind aus der DE 30 13 550 A und US 4 700 116 bekannt.
Bürstenlose Gleichstrommotore (im folgenden kurz: "Motore" oder "Elektro
motore" 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 Ständer
wicklungen 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 bearbeitet und
Steuerimpulse an den Vechselrichter abgibt.
In einigen Anwendungsgebieten, für die Elektromotore mit insbesondere
einfachem konstruktiven und robustem Aufbau gefragt sind, bei denen jedoch
keine Läuferpositionssensoren der Hall'schen oder optischen Art o. ä. zum
Einsatz kommen, wird die Läuferposition durch Überwachung der in den Motor
wicklungen 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 Läufer
position 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 Elektro
motors 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
verloren gehen 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 Zeitpunktes
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 zum
Anlassen eines bürstenlosen Gleichstrommotors vorzuschlagen, wobei 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 einen 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 Anlaßvorganges 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) unter schreiten, wird die Stromversorgung des elektrischen Motors für einen bestimmten Zeitabschnitt unterbrochen, nach dessen Beendigung der Regelungszyklus von neuem beginnt.
Die oben genannte 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 einen der Eingänge der Logikschaltung wie auch an
den Eingang des nächsten Verzögerungsgliedes (und auf diese Weise fort
laufend) angeschlossen ist, ferner durch eine mittels des Logiksignals
getriggerte Schaltung zur Steuerung der Maschinenstromversorgung, durch eine
Detektierschaltung zum Detektieren der unteren Drehzahlgrenze des Gleich
strommotors, durch eine Frequenz-Spannungs-Umformerschaltung, durch eine
Komparatorschaltung mit einer Hysterese zur Steuerung des dem Gleichstrom
motor 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 oben genannten Nachteile
des Standes der Technik vermeidet.
Vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens sowie der Schaltung zum Anlassen 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 zum Anlassen 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 Wechsel
richter, der einen Strom in die Ständerwicklungen einspeist, eine Sensor
schaltung 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 Steuer
signale an Schaltelemente des Wechselrichters abgibt, wobei das Verfahren
folgende Verfahrensschritte aufweist: es wird ein Strom mit bis zu einem
vorbestimmten Grenzwert ansteigender Stromstärke in einen bestimmten
Wicklungssatz des Ständers eingespeist, wodurch der Läufer in eine bestimmte
Position gesetzt wird; der Strom wird unter Beibehaltung der im voran
gegangenen Verfahrenschritt erreichten Stromstärke, auf einen anderen
Wicklungssatz des Ständers aufgeschaltet, wodurch der Läufer eine andere
relative Position zum Ständer einnimmt, was einem Wicklungsschritt in die
gewünschte Drehrichtung des Läufers entspricht; Übergang in den selbst
geregelten Betrieb, dabei Überwachung der Läuferposition mittels induzierter
Spannungen durch einen Sensor; sobald die Motordrehzahl einen vorbestimmten
Minimalwert überschreitet, erfolgt selbstgeregelter Betrieb; sollte die Motor
drehzahl 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 Schaltdiagramm 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 1, 2, 3 Ströme I1, I2, I3 in einen bürstenlosen
Elektromotor 20 einspeist.
Die Spannungen der Phasen 1, 2, 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 Sensor
schaltung 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 Im der Steuerschaltung
45 repräsentierten Daten über die Läuferposition und den vom Elektromotor
aufgenommenen Strom sowie als Funktion der durch ein Spannungssignal am
Eingang Wref der Steuerschaltung 45 repräsentierten Daten über die Bezugs
drehzahl 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 Wechsel
richter 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 1, 2 und 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 Strom
stärke allmählich von einem Wert Null bis zu einem dem maximalen Dreh
moment 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 Verfahrens
schritt erstreckt sich über eine bestimmte zeitliche Länge t1.
Im zweiten Anlaß-Verfahrensschritt wird der Strom in einen anderen Wicklungs
satz eingespeist, wobei die in Fig. 2B dargestellte Position 2 dem winkel
mäßigen 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 Sensor
schaltung 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 Läufer
position 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 < Rmin). 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 Anlaßvorganges 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
Digitalspeichereinheit 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 Zustandes der anderen Eingänge der
Digitalspeichereinheit 50. Ferner liegt der Ausgang S8 der Digitalspeichereinheit 50 in diesem
Zustand auf dem Logikpegel Null, ebenso die Ausgänge Px bzw. Py bzw. Pz 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 Iref sehr
nahe bei Null liegt und dem an der Klemme 11 entspricht.
Wenn die Klemme 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 Motorstromes 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 einer mit einer Hysterese ausgestatteten
Komparatorschaltung 100 (Fig. 3 und Fig. 5). Diese Komparatorschaltung 100 vergleicht die
Spannung an der Klemme Im, die einem momentanen (Ist-) Strom im Motor entspricht, mit der
Spannung an der Klemme Iref, die dem in den Motor einzuspeisenden (Soll-) Strom entspricht.
Das Ausgangssignal S8 der Digitalspeichreinheit 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 y allmählich auf die Spannung Vz eines Begrenzers 142 ansteigt, mit dem Ergebnis
eines allmählichen Anstiegs des Motorstroms während des ersten Anlaßabschnittes, wie dies
im Zeitdiagramm der Fig. 4 dargestellt ist. Zu dem Zeitpunkt, an dem der Logikpegel am
Ausgang Px des die Zeitspanne t1 bestimmenden Verzögerungsgliedes 70 den Wert 1 annimmt
(Eingang Px der Digitalspeichereinheit
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 Zeitabschnittes 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 Py der Digitalspeichereinheit 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 Schaltelementenpaar 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 Wref 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 Digitalspeichereinheit 50 (Fig. 2B) ein Logiksignal mit einer zur Läuferdrehzahl
proportionalen Frequenz, die durch die Frequenz-Spannungs-Umformerschaltung 120 in einen
entsprechenden Spannungspegel umgewandelt wird, der an der Ausgangsklemme Wa der
Umformerschaltung 120 anliegt (Fig. 3). Der Vergleich dieser Spannung mit der Spannung, die
durch den Spannungsteiler 160 an der Ausgangsklemme Wmin erzeugt wird und der minimalen
Grenzdrehzahl des Läufers für den Betrieb des Motors entspricht, führt zu einem Logiksignal
am Ausgang der Detektierschaltung 110, das von der Ausgangsklemme E2 an die
Digitalspeichereinheit 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 Wmin vorgegeben wird, rotiert.
Der vierte Verfahrensabschnitt beginnt, wenn nach Ablauf der Zeitspanne t3 das
Verzögerungsglied 90 (Fig. 3), das zu Beginn des dritten Abschnittes getriggert wurde, an
seinem Ausgang Pz 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 Abschnittes davon abhängt, daß die
momentane (Ist-) Drehzahl des Läufers oberhalb des unteren Drehzahl-Grenzwertes liegt, wie
er durch die Spannung an der Klemme Wmin vorgegeben wird. Unter gleichbleibenden
Bedingungen wird der Motor in diesem Verfahrensabschnitt für eine unbestimmte Zeit unter
Abfolge der Steuersequenz der Schaltelemente des Wechselrichters 10 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 Digitalspeichereinheit 50 auf
dem Logikpegel 1 gehalten, wodurch das Schalterelement 141 offen und die Ausgänge Px, Py
und Pz 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 als Regelkreis 130 ausgeführt, die in Abhängigkeit von der
Spannung an der Klemme Wa (momentane Drehzahl) und der Spannung an der Klemme Wref
(Soll-Drehzahl) ein Spannungssignal am Ausgang I erzeugt, das proportional zu dem in den
Motor einzuspeisenden Strom ist. Jede Lastzunahme wird durch eine entsprechende
proportionale Zunahme des Stromes 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 der Detektierschaltung 110 den Wert 1 annimmt. Dieser Zustand
entspricht der Zeile 30 in der Tabelle nach Fig. 5. Während dieses Verfahrensabschnittes
haben alle Ausgänge S1 bis S6 den
Wert Null, wodurch alle Schaltelemente T1 bis T6 (Fig. 2) des Wechselrichters 10 offen gehalten
werden und somit die Stromzufuhr in die Wicklungen des Motors unterbrochen wird. Ferner liegt
der Logikpegel des Ausgangs S8 der Digitalspeichereinheit 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 Pz des Verzögerungsgliedes 90 den Wert 1
annimmt, wird der fünfte Verfahrensabschnitt eingenommen bzw. beibehalten.
Wenn der Ausgang Pz 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
Verfahrensabschnittes erfaßt und gezählt, wenn der Ausgang S8 der Digitalspeichereinheit 50
(Fig. 3) den Logikpegel Null annimmt, und zwar bis zum Erreichen des Zeitpunktes, in dem alle
Ausgänge Px, 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 zum Anfassen eines bürstenlosen Gleichstrommotors, der Ständerwicklungen und
einen Permanentmagnetläufer aufweist, dessen Läuferposition mittels induzierter Spannungen
detektiert wird, mit folgenden Verfahrensschritten:
- a) Es wird ein Strom mit bis zu einem vorbestimmten Grenzwert ansteigender Stromstärke in einen bestimmten Wicklungssatz des Ständers geregelt 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) Überwachung der Läuferposition mittels induzierter Spannungen durch eine Sensorschaltung (30) bei der Überleitung in den selbstgeführten Betrieb;
- d) sobald die Motordrehzahl einen vorbestimmten Minimalwert überschreitet, erfolgt selbstgeführter 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 Anlaßzyklus, Schritte a-e, 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 (1, 2, 3) und einen Permanentmagnetläufer aufweist und bei dem die
Läuferposition mittels induzierter Spannungen detektierbar ist, mit einem Wechselrichter (10),
der einen Strom in die Ständerwicklungen (1, 2, 3) einspeist, mit einer Sensorschaltung (30)
zum Detektieren der relativen Position zwischen Ständer und Läufer mittels induzierter
Spannungen, und mit einer Steuerschaltung (45), die Daten über den vom Wechselrichter (10)
in die Ständerwicklungen (1, 2, 3) eingespeisten Strom, Daten über die Läuferposition sowie
Daten über die Bezugsdrehzahl bearbeitet und Steuersignale an Schaltelemente des
Wechselrichters (10) abgibt, wobei die Steuerschaltung (45) die Verfahrensschritte a-e gemäß
Anspruch 1 abarbeitet.
5. Regelschaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung (45)
folgende Elemente aufweist:
- 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 (Px) 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 des bürstenlosen Gleichstrommotors;
- e) eine Frequenz-Spannungs-Umformerschaltung (120);
- f) eine Komparatorschaltung (100) mit einer Hysterese zur Steuerung des dem Gleichstrommotor zugeführten Stromes, und
- g) einen Regelkreis (130), der ein der Maschine-Ist-Drehzahl entsprechendes Analogsignal (Wa) und ein der Maschinen-Soll-Drehzahl entsprechendes, extern erzeugtes Bezugssignal (Wref) erhält und ein Analogsignal (I) abgibt, das dem in die Ständerwicklungen (1, 2, 3) einzuspeisenden Strom entspricht.
6. Regelschaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Logikschaltung oder
Speichereinheit (50) die folgenden Eingangssignale (Adressen) bearbeitet:
- 1. Logiksignale (P1, P2, P3) von der Sensorschaltung (30) zum Detektieren der Läuferposition mittels induzierter Spannungen;
- 2. Logiksignale (Px, Py, Pz) von den Verzögerungsgliedern (70, 80, 90);
- 3. ein Logiksignal (E2) von der Detektierschaltung (110);
- 4. ein Logiksignal (E9) zur Steuerung der Schaltelemente (T1 bis T6); des Wechselrichters (10);
- 5. ein Logiksignal (E1) zur allgemeinen Steuerung
- 1. Logiksignale (S1 bis S6) zur Einzelsteuerung jedes Schaltelementes (T1 bis T6) des Wechselrichters (10);
- 2. das Logiksignal (S8) zur Triggerung der Verzögerungsglieder (70, 80, 90) und zur stufenweisen Steuerung des Maschinenstromes, und
- 3. ein Logiksignal (S7) mit einer zur Maschinendrehzahl proportionalen Frequenz.
7. Regelschaltung nach Anspruch 5 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitzählung bei
jeder Änderung des Logikpegels am Eingang der Verzögerungsglieder (70, 80, 90) getriggert
wird.
8. Regelschaltung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die
Schaltung (140) den Speisestrom für den Gleichstrommotor in der ersten Phase des Anlassens
stufenweise ansteigend steuert.
9. Regelschaltung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das
Ausgangssignal der Schaltung (140) zur Steuerung der Stromeinspeisung in den
Gleichstrommotor den maximalen Spannungsgrenzwert steuert, der dem in dem Motor
einzuspeisenden Strom entspricht.
10. Regelschaltung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, 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 (Wa), welcher der jeweiligen Momentangeschwindigkeit des Elektromotors
entspricht, und einem Spannungswert (Wmin), welcher der für den Betrieb des Elektromotors
zulässigen Minimaldrehzahl entspricht, resultiert.
11. Regelschaltung nach Anspruch 5, 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 (Wa) erzeugt.
12. Regelschaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Komparatorschaltung
(100), die mit einer Hysterese zur Steuerung des der elektrischen Maschine eingespeisten
Stromes ausgestattet ist, aus einem Vergleich zwischen dem dem momentanen (Ist-) Strom im
Elektromotor entsprechenden Analogsignal (Im) und dem Analogsignal (Iref), das dem dem
Elektromotor einzuspeisenden (Soll-) Strom entspricht, ein Logiksignal (E9) erzeugt.
13. Regelschaltung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
der Regelkreis (130) eine PID-Schaltung enthält.
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