DE4025991C2 - Motorsteuereinrichtung und -verfahren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung und ein Motorsteuerverfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 bzw. 3.

Aus der JP-OS 61-10 983, der DE 35 28 887 A1 und der DE 38 26 892 A1 ist es bekannt, Motoren mit einer feldorientierten Steuerung bzw. einer Vektorsteuerung zu betreiben. In Fig. 1 ist exemplarisch ein Blockschaltbild einer solchen bekannten Motorsteuereinrichtung dargestellt. Dabei bezeichnen R, S und T eine Drehstromversorgung. Ein Stromrichter 2 ist mit der Drehstromversorgung R, S, T verbunden und wird so gesteuert, daß er eine Ausgangsgleichspannung erzeugt; ein Glättungskondensator 3 dient der Glättung eines Ausgangssignals des Stromrichters 2; ein Rückspeisungssteuerkreis 4 hat einen Widerstand und ein Schaltelement; ein Pulswechselrichter 5 ist mit beiden Enden des Glättungskondensators 3 verbunden, besteht aus Transistoren und Dioden und erzeugt Wechselspannungsausgangsimpulse 5a-5c veränderlicher Spannung und Frequenz aufgrund der Impulsdauermodulation; ein Drehstrom-Induktionsmotor 6 wird von einem Ausgangsimpuls des Pulswechselrichters 5 angetrieben; ein Drehzahldetektor 7 ist mit dem Motor 6 direkt verbunden und erzeugt ein Drehzahlsignal 7a, das der Drehzahl des Motors 6 proportional ist; eine Last 8 wird von dem Motor 6 angetrieben; Stromwandler 12-14 erzeugen Stromrückführsignale 12a-14a entsprechend dem Primärstrom jeder Phase des Motors 6; ein Koordinatenumsetzer 15A hat einen Dreiphasen/Zweiphasen- Umsetzungskreis zur Eingabe eines Sinussignals 21a und eines Cosinussignals 21b und zur Umsetzung der Stromrückführsignale 12a-14a in die (Erreger-)Stromkomponente 15a und die drehmomentbildende (Drehmoment-)Stromkomponente 15b auf den Koordinatenachsen, die synchron mit der Winkelgeschwindigkeit des sekundären Magnetflußvektors des Motors 6 umlaufen; ein Dividierer 16 ist vorgesehen; ein Koeffizientenmultiplizierer 17 erzeugt ein Schlupffrequenzsignal 17a durch Multiplikation eines Koeffizienten an einem Eingang; ein Verstärker 18 hat einen Verstärkungsfaktor P (entsprechend der Polzahl des Motors 6) und erhält das Drehzahlsignal 7a zugeführt; ein Addierer 19 erzeugt ein synchrones Winkelgeschwindigkeitssignal 19a durch Addition des Schlupffrequenzsignals 17a und eines Ausgangssignals des Verstärkers 18; ein Integrierer 20 erzeugt ein Phasenwinkelsignal 20a des Läufer-Magnetflußvektors durch Integration des synchronen Winkelgeschwindigkeitssignals 19a; ein Funktionsgeber 21 erhält ein Phasenwinkelsignal 20a und erzeugt ein entsprechendes Sinussignal 21a und Cosinussignal 21b; ein Subtrahierer 22 bildet ein Differenzsignal durch Subtraktion der feldbildende(n) Stromkomponente(n) 15a von einer feldbildende(n) (Erregerstrom-)Sollkomponente 23; ein Erregerstromregelkreis 24 besteht aus einem integrierenden und/oder differenzierenden Regler; 24a ist ein Erregerspannungskomponenten-Sollwert; ein Subtrahierer 25 bildet ein Differenzsignal durch Subtraktion des Drehzahlsignals 7a von einem Drehzahl-Sollwert 26; ein Drehzahlregelkreis 27 besteht aus einem integrierenden und/oder differenzierenden Regler; 27a ist ein Drehmomentstromkomponenten- Sollwert; ein Subtrahierer 28 erzeugt ein Abweichungssignal durch Subtraktion einer drehmomentbildenden Stromkomponente 15b von dem Drehmomentstromkomponenten- Sollwert 27a; ein Drehmomentstromregelkreis 29 besteht aus einem integrierenden und/oder differenzierenden Regler; 29a ist ein Drehmomentspannungskomponenten-Sollwert, ein Koordinatenumsetzer 30B hat einen Zweiphasen/Dreiphasen-Umsetzungskreis, dem ein Sinussignal 21a und ein Cosinussignal 21b zugeführt werden und der den Erregerspannungskomponenten- Sollwert 24a und den Drehmomentspannungskomponenten- Sollwert 29a in die Primärspannungs-Sollwerte 30a-30c für jede Phase umsetzt.

Ein Mikrocomputer 32 umfaßt den Regelteil 16-30 mit dem Koordinatenumsetzer A15. Eine Leiterplatte 31 umfaßt den Mikrocomputer 32 und ein UND-Glied 39. Ein Verbinder 33 dient dem Anschluß von Leitern mit den Stromrückführsignalen 12a-14a und der Leiterplatte 31; ein Überstromdetektor 34 detektiert einen Strom des Drehstrom- Induktionsmotors 6 und schaltet den Pulswechselrichter 5 ab, wenn ein Überstrom fließt; 35 ist ein Überstromauslösesignal; 36 ist ein Betriebssignal; 37 ist ein vom Mikrocomputer 32 ausgegebenes Alarmsignal; 38 ist ein Gatter- EIN-Signal, das aktiv wird, wenn der Motor vom Pulswechselrichter 5 gespeist werden soll; das UND-Glied 39 setzt das Gatter-EIN-Signal 38 nur dann auf den H-Pegel, wenn das Überstromauslösesignal 35 den L-Pegel, das Betriebssignal 36 den H-Pegel und das Alarmsignal 37 den L-Pegel hat.

Nachstehend wird der Betrieb der bekannten Motorsteuereinrichtung erläutert.

Nach Fig. 1 werden die Drehströme an den Eingängen R, S, T von dem Stromrichter 2 gleichgerichtet, und eine von dem Glättungskondensator 3 geglättete Gleichspannung wird dem Pulswechselrichter 5 zugeführt.

Der Pulswechselrichter 5 wird durch die Primärspannungs-Sollwerte 30- 30c angesteuert. Dadurch werden Wechselströme 5a-5c veränderlicher Spannung und veränderlicher Frequenz dem Drehstrom- Induktionsmotor 6 zugeführt.

Zum Anfahren wird das Betriebssignal 36 auf einen Betriebspegel gesetzt, der Drehzahl-Sollwert 26 wird angelegt, und die Wechselströme 5a-5c werden dem Drehstrom- Induktionsmotor zugeführt.

In diesem Fall wird die Erreger-Stromkomponente 15a so geregelt, daß sie an den Erregerstromkomponenten- Sollwert 23 angepaßt ist.

Ferner wird die Stromkomponente 15b in gleicher Weise so geregelt, daß sie an den Drehmomentstromkomponenten- Sollwert 27a angepaßt wird. Wenn die Drehzahl verringert werden soll, wird der Drehzahl-Sollwert 26 verringert, die Drehzahl des Drehstom-Induktionsmotors 6 wird verringert, und der Drehzahl-Sollwert 26 wird an das Drehzahlsignal 7a angepaßt. Wenn das Betriebssignal 36 einen Ausschalt-Pegel erreicht, werden die Wechselströme 5a-5c ausgeschaltet, und der Drehstrom-Induktionsmotor 6 hält an.

Da die bekannte Motorsteuereinrichtung wie oben beschrieben aufgebaut ist, werden, wenn z. B. ein Verbinder 33 von Fig. 1 abgetrennt wird, die Stromrückführsignale 12a-14a nicht mehr an den Koordinatenumsetzer A15 angelegt, so daß die Stromkomponente 15a und die Stromkomponente 15b zu Null werden. Da die Regelung so durchgeführt wird, daß die Stromkomponente 15a im Erregerstromregelkreis 24 an den Erregerstromkomponenten-Sollwert 23 angepaßt wird, wird also der Erregerspannungs-Sollwert 24a höher. Ebenso wird, da die Regelung im Stromregelkreis 29 so durchgeführt wird, daß die Stromkomponente 15b an den Drehmomentstromkomponenten-Sollwert 27a angepaßt wird, der Drehmomentspannungskomponenten- Sollwert erhöht.

Dadurch entsteht das Problem, daß die Primärspannungs-Sollwerte 30a-30c ansteigen, ein Strom des Pulswechselrichters 5, d. h. der Strom des Drehstrom-Induktionsmotors 6, mit einer Zeitkonstanten ansteigt, und schließlich der Transistorimpuls- Wechselrichter 5 durchbricht, weil ein solcher Strom den Nennstrom des Transistors übersteigt. Der Überstromdetektor 34 spricht nicht an, weil er ebenfalls den Stromistwert Null erhält.

Überwachungssysteme der Stromaufnahme eines Motors sind beispielsweise aus der US 40 21 700, der US 43 38 552 oder der US 42 86 303 bekannt. Die Überwachung geschieht dort dadurch, daß ein vom Motor aufgenommener Strom über eine endliche Meßzeit registriert und mit einem unteren sowie ggf. mit einem oberen Grenzwert verglichen wird. Die genannten Systeme erfordern einen erheblichen Hard- und Softwareaufwand. Sie geben außerdem insgesamt keine Anregung, wie auf einen Pulswechselrichter einzuwirken ist, um eine Zerstörung der Ausgangstransistoren zu vermeiden und welche Maßnahmen zur Pegelanpassung der Stromsensoren-Ausgangssignale an einen Steuer-Prozessoreingang getroffen werden müssen.

Um den Ausfall eines als Wechselrichter dienenden Transistors festzustellen, wurde in der JP-OS 61-123 698 eine spezielle Schutzeinrichtung vorgeschlagen. Wenn dort ein vom Stromdetektor, der den Ausgangsstrom eines Wechselrichters detektiert, festgestellter Strom niedriger als der Vorgabewert wird, wird der Betrieb des Wechselrichters durch eine Betriebsblockiereinrichtung einer Wechselrichter-Steuereinrichtung unterbrochen. Dadurch kann ein Ausfall des betreffenden Transistors schnell erkannt werden. Diese bekannte Einrichtung erkennt zwar den Ausfall des Transistors oder des Stromsensors des Wechselrichters in einem frühen Stadium und unterbricht den Betrieb, jedoch sind aufwendige Schaltkreise wie ein Gleichrichter, ein Addierer und ein Diskriminierer entsprechend Fig. 3 der JP-OS 61-123 698 notwendig, um Welligkeiten enthaltende Wechselstromsignale zu verarbeiten. Weiterhin ergeben sich Schwierigkeiten bei der Einstellung des Vorgabewertes. Darüber hinaus ist nicht ersichtlich, ob und wie ein Leitungsbruch zwischen den Stromfühlern und der nachgeschalteten Meßeinrichtung feststellbar ist. Des weiteren werden in der JP-OS 61-123 698 Wechselsignale zur Auswertung herangezogen. Kurzzeitige Störspitzen, die für das Betriebsverhalten unschädlich sind oder die auf andere Zustände des Motors zurückzuführen sind, können nicht separiert werden. Es ist also dort nicht sichergestellt, daß eine Unterbrechung des Motorbetriebes nur im Falle tatsächlich kritischer Betriebszustände erfolgt. Ferner ergibt sich bei der oben genannten bekannten Einrichtung das Problem, daß, da ein vom Stromdetektor detektierter Stromwert aufgrund der Zeitkonstanten des Motors für eine bestimmte Zeitdauer nach dem Anlegen eines Betriebssignals unter dem vorgegebenen Wert bleibt, dieser unmittelbar nach Empfang des Betriebssignals eventuell anhält.

Die Erfindung dient dem Zweck, die oben beschriebenen Probleme zu beseitigen, und es ist daher die Aufgabe der Erfindung, eine sichere und zuverlässige Motorsteuereinrichtung bzw. ein solches Verfahren anzugeben, wobei ein stabiler Betrieb ohne ein Versagen des Pulswechselrichters, hervorgerufen etwa durch Trennen des Verbinders, Bruch der Leiter zur Übertragung der Stromführsignale oder Ausfall der Stromwandler, gewährleistet ist und außerdem kein unerwünschtes Anhalten des Motors unmittelbar nach dem Anlegen des Betriebssignals erfolgen kann.

Diese Aufgabe wird hinsichtlich der Vorrichtung durch die Merkmale des Anspruchs 1 und hinsichtlich des Verfahrens durch die Merkmale des Anspruchs 3 gelöst. Eine vorteilhafte Weiterbildung ist in Anspruch 2 angegeben.

Ein Grundgedanke der Erfindung besteht darin, eine Überwachungsschaltung vorzusehen, die ein Alarmsignal liefert, wenn die feldbildende Stromkomponente über eine vorbestimmte Zeitdauer gleich oder kleiner als ein vorbestimmter Wert ist, und eine Ausschalteinrichtung vorzusehen, die aufgrund des erzeugten Alarmsignals den Pulswechselrichter ausschaltet.

Ein weiterer Grundgedanke der Erfindung besteht darin, den Pulswechselrichter abzuschalten und Alarm auszulösen, wenn die feldbildende Stromkomponente für eine vorbestimmte Zeitdauer gleich oder kleiner als ein vorbestimmter Wert ist.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen in

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer bekannten Motorsteuereinrichtung;

Fig. 2 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels der Motorsteuereinrichtung nach der Erfindung;

Fig. 3 ein Impulsdiagramm, das den Betrieb dieser Einrichtung zeigt; und

Fig. 4 ein Flußdiagramm,das eines Softwarestruktur des Ausführungsbeispiels zeigt.

In Fig. 2, die ein Ausführungsbeispiel der Motorsteuereinrichtung zeigt, sind gleiche Elemente wie in Fig. 1 mit denselben Bezugszeichen versehen und werden nicht nochmals erläutert. Ein Stromkomponentensignal- Diskriminierer 40 umfaßt einen Zeitgeber, einen Eingang für das Anlegen eines Betriebssignals 36 und eines Erregerstromkomponenten- Signals 15a; der Diskriminierer 40 liefert ein Alarmsignal 37, wenn die Amplitude des Erregerstromkomponenten-Signals 15a während der vorbestimmten Zeitdauer unter einem vorbestimmten Wert bleibt; ein UND-Glied 39 dient als Ausschalteinrichtung, die den Betrieb des Pulswechselrichters 5 unterbricht, indem sie das Ein-Signal 38 mit L-Pegel dem Pulswechselrichter 5 zuführt, wenn das Betriebssignal 36 und das Alarmsignal 37 vom Stromkomponentensignal-Diskriminierer 40 zugeführt werden.

Nachstehend wird der Betrieb des Ausführungsbeispiels erläutert.

Fig. 3 zeigt die wesentlichen Signalverläufe während des Betriebs.

Dabei nimmt zu Beginn des Betriebs das Betriebssignal 36 zum Zeitpunkt t1 den H-Pegel an. Zu diesem Zeitpunkt wird auch der Drehzahlsollwert 26 zugeführt, und die Wechselstromausgangsimpulse 5a-5c werden an den Drehstrom-Induktionsmotor 6 geführt. Ab diesem Zeitpunkt werden die Stromkomponenten 15a, b so geregelt, daß sie den Sollwerten 23, 27a entsprechen.

Ferner wird auch das Drehmomentstromkomponenten-Signal 15b in gleicher Weise so geregelt, daß es dem Drehmomentstromkomponenten- Leitsollwert 27a entspricht.

Dann wird, nachdem zum Zeitpunkt t2 der Drehzahl-Sollwert 26 dem Drehzahlsignal 7a entspricht, der Drehmomentstromkomponenten-Sollwert 27a verringert.

Wenn dann zum Zeitpunkt t3 der Drehzahlsollwert 26 niedriger wird, verringert der Drehstrom-Induktionsmotor 6 die Betriebsdrehzahl, und die Drehzahl 7a ist zum Zeitpunkt t4 an den Drehzahl-Sollwert 26 angepaßt.

Wenn danach das Betriebssignal 36 zum Zeitpunkt t5 den L-Pegel annimmt, werden die Wechselstromausgangsimpulse 5a-5c AUS, und der Drehstrom-Induktionsmotor 6 wird angehalten.

Wenn bei diesem Betrieb der Verbinder 33 abgetrennt wird, während das Betriebssignal EIN ist, wird das vom Koordinatenumsetzer A15 gelieferte Erregerstromkomponenten-Signal 15a zu Null und erreicht den vorbestimmten Wert auch nicht nach Ablauf der vorbestimmten Zeitdauer seit dem Anlegen des Betriebssignals 36. Der Stromkomponentensignal-Diskriminierer 40 bestimmt auf der Basis der Tatsache, daß das Erregerstromkomponenten-Signal 15a Null ist, daß die Amplitude des Stroms niedriger als der vorbestimmte Wert ist. Ferner zählt der Zeitgeber des Stromkomponentensignal-Diskriminierers 40, ob die vorbestimmte Zeitdauer abgelaufen ist. Daher liefert der Stromkomponentensignal-Diskriminierer 40 ein Alarmsignal 37 an das UND-Glied 39 als die Ausschalteinrichtung. Nachdem das UND- Glied 39 das Alarmsignal 37 empfangen hat, unterbricht sein Ausgangssignal 38 den Betrieb des Pulswechselrichters 5. Daher werden die Stromausgangsimpulse 5a-5c des Pulswechselrichters 5 Null, bevor der Strom eines Transistors des Pulswechselrichters 5 den Nennstrom übersteigen kann und zu einem Durchbruch des Transistors führt. Da der Zeitgeber vorgesehen ist, wird das Alarmsignal 37 erst dann vom Stromkomponentensignal-Diskriminierer 40 geliefert, wenn die vorbestimmte Zeitdauer abgelaufen ist. Auch wenn also ein Zeitintervall vorliegt, in dem die Erreger-Stromkomponente 15a den vorbestimmten Wert aufgrund der Zeitkonstanten des Motors 6 für die vorbestimmte Dauer nach Eingabe des Betriebssignals 36 nicht erreicht, besteht nicht die Gefahr, daß das Alarmsignal 37 erzeugt wird, weil der Stromkomponentensignal-Diskriminierer bzw. die Überwachungsschaltung 40 erlaubt, daß das die Stromkomponente 15a unmittelbar nach dem Anlegen des Betriebssignals 36 gleich oder niedriger als der vorbestimmte Wert ist.

Vorstehend wurde der Betrieb des Ausführungsbeispiels auf der Grundlage des Hardware-Aufbaus erläutert, und der Betrieb des äquivalenten Software-Aufbaus wird nachstehend unter Bezugnahme auf das Flußdiagramm von Fig. 4 erläutert.

Bei Betriebsbeginn (Schritt 50) wird abgefragt, ob das Fehlerflag gesetzt ist (Schritt 51). Wenn das Fehlerflag gesetzt ist, wird ein Alarm ausgegeben (Schritt 56). Wenn das Fehlerflag nicht gesetzt ist, wird abgefragt, ob das Betriebssignal 36 EIN ist (Schritt 52). Wen das Betriebssignal 36 nicht EIN ist, wird der Zähler gelöscht (Schritt 54). Wenn das Betriebssignal 36 EIN ist, wird abgefragt, ob die Erreger-Stromkomponente 15a den vorbestimmten Wert überschreitet (Schritt 53). Wenn die Erreger-Stromkomponente 15a den vorbestimmten Wert überschreitet, wird der Zähler gelöscht (Schritt 54). Wenn ferner die Erreger- Stromkomponente 15a gleich oder kleiner als der vorbestimmte Wert ist, wird der Zähler um Eins erhöht (Schritt 55). Wenn der Inhalt des Zählers den vorbestimmten Wert überschreitet (Schritt 57), wird das Fehlerflag gesetzt (Schritt 58), und der Betrieb wird unterbrochen. Wenn der Zählwert gleich oder kleiner als der vorbestimmter Wert ist (Schritt 57), wird der Betrieb unter Normalbedingungen fortgesetzt.

Die Erregerstromkomponente ids und die Drehmomentstromkomponente iqs, die durch die Koordinatenumsetzung erhalten werden, sind jeweils Gleichspannungswerte. Daher können sie ohne weiteres mit den Vorgabewerten verglichen werden, ohne daß eine komplexe Schaltung in der Sicherheitseinrichtung benötigt wird.

Die vorbestimmte Zeitdauer nach dem Anlegen des Betriebssignals 36 muß zwischen den Zeitdauern liegen, die einerseits durch das Erreichen der Durchbruchspannung des Wechselrichters, d. h. durch die Stromkapazität des Wechselrichters, und andererseits durch die Spannung des Hauptstromkreises und die Zeitkonstante des Motors bestimmt sind.

Wie vorstehend beschrieben, ergeben sich durch die Erfindung folgende Auswirkungen: Da der Wechselrichterbetrieb unterbrochen wird, wenn das Erregerstromkomponenten-Signal oder das Drehmomentstromkomponenten-Signal gleich oder kleiner als der vorbestimmte Wert ist, nachdem die vorbestimmte Zeitdauer seit der Eingabe des Betriebssignals abgelaufen ist, wird der Wechselrichter auch dann nicht ausgeschaltet, wenn das Erregerstromkomponenten-Signal aufgrund der Zeitkonstanten des Motors innerhalb der vorbestimmten Zeitdauer seit dem Anlegen des Betriebssignals gleich oder kleiner als der vorbestimmte Wert wird, und der Wechselrichter wird nur dann ausgeschaltet, wenn aufgrund des Trennens des Verbinders, des Ausfalls des Stromwandlers oder des Bruchs von Leitern für Stromrückführsignale das Erregerstromkomponenten- Signal gleich oder kleiner als der vorbestimmte Wert ist, nachdem die vorbestimmte Zeitdauer seit dem Anlegen des Betriebssignals abgelaufen ist, so daß ein Durchbruch von Transistoren des Wechselrichters verhindert und eine sichere und zuverlässige Motorsteuereinrichtung erhalten werden kann.

Claims (3)

1. Motorsteuereinrichtung mit einem Pulswechselrichter (5), einem Motor (6) und Stromfühlern (34), die die Phasenströme des Motors (6) messen;
einem Koordinatenumsetzer (15) zur Umsetzung der gemessenen Ströme in eine feldbildende Stromkomponente (15a) und eine drehmomentbildende Stromkomponente (15b) im feldorientierten Koordinatensystem; und
einer Steuerung für den Pulswechselrichter (5), die die feldbildende und drehmomentbildende Stromkomponente regelt,
gekennzeichnet durch eine Überwachungsschaltung (40), die ein Alarmsignal liefert, wenn die feldbildende Stromkomponente (15a) über eine vorbestimmte Zeitdauer gleich oder kleiner als ein vorbestimmter Wert ist und eine Ausschalteinrichtung (39), die aufgrund des von der Überwachungsschaltung (40) erzeugten Alarmsignals (37) den Pulswechselrichter (5) ausschaltet.

2. Motorsteuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Überwachungsschaltung (40) einen Zeitgeber zur Bestimmung der vorbestimmten Zeitdauer aufweist.

3. Motorsteuerverfahren mit einem Pulswechselrichter, einem Motor und Stromfühlern, die die Phasenströme des Motors messen, und einem Koordinatenumsetzer zur Umsetzung der gemessenen Ströme in eine feldbildende und eine drehmomentbildende Stromkomponente in einem feldorientierten Koordinatensystem zuführen, gekennzeichnet durch die Abschaltung des Pulswechselrichters und Alarmabgabe, wenn die feldbildende Stromkomponente für eine vorbestimmte Zeitdauer gleich oder kleiner als ein vorbestimmter Wert ist.