DE4026366A1 - Verfahren zur regelung des motorstroms eines buerstenlosen gleichstrommotors - Google Patents
Verfahren zur regelung des motorstroms eines buerstenlosen gleichstrommotorsInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung
des Motorstroms in den Phasenwicklungen eines
bürstenlosen Gleichstrommotors, wobei die einzelnen
Phasenwicklungen über einen elektronisch steuerbaren
Gleichspannungs-Zwischenkreis-Umrichter (Umrichter)
mit schaltbaren Halbleiterventilen und diesen parallel
geschalteten Freilaufdioden in den einzelnen Brückenzweigen
bestromt werden, und die Istwert-Erfassung des Motorstroms
ausschließlich im Gleichspannungs-Zwischenkreis erfolgt.
Da Gleichstrommotoren sich durch eine hohe Dynamik und eine
gute Steuerbarkeit auszeichnen, werden sie in zunehmendem
Maße in der Antriebstechnik eingesetzt. Als nicht
unproblematisch erweist sich jedoch die Ansteuerung der
Motoren über einen weiten Drehzahlbereich, insbesondere in
Richtung kleiner Drehzahlen. Um ein sanftes, glattes Anlaufen
eines bürstenlosen Gleichstrommotors sicherzustellen, wird in
der DE-OS 35 25 210 folgende Steuerschaltung beschrieben:
Bei Erreichen eines vorgegebenen Vergleichswertes wird die
Erregung der Statorwicklungen für eine zuvor festgelegte
Zeitdauer mittels einer Impulslängen-Modulationseinheit
unterbrochen. Bedingt durch die Variation der Abbau-
aber auch der Aufbauzeiten des Motorstroms werden die
Statorwicklungen durch eine impulslängenmodulierte Spannung
erregt, deren Frequenz und Einschaltrate im Bereich tiefer
Drehzahlen höher liegen als im Bereich hoher Drehzahlen.
Die in der DE-OS 35 25 210 beschriebene Ansteuerschaltung ist
jedoch nur vorteilhaft einsetzbar, solange der angesteuerte
Motor während des üblichen Betriebs mit einer festgelegten
Enddrehzahl läuft. Ensprechend dieser Drehzahl wird die
Zeitdauer für die Unterbrechung des Motorstroms optimal
bestimmt, wobei optimal bedeutet, daß die Zeitdauer so
bemessen ist, daß die Motorstromeinbrüche und damit die
Drehmomentschwankungen möglichst gering sind. Damit letzteres
der Fall ist, muß je nach Höhe der Enddrehzahl die Zeitdauer
zur Unterbrechung des Motorstroms entsprechend kurz gewählt
werden. Im unteren Drehzahlbereich führt dies automatisch
zu extrem kurzen Unterbrechungszeiten des Motorstroms bzw.
zu einer sehr hohen Schaltfrequenz der Leistungstransistoren
des Umrichters. Als Folge der hohen Schaltbeanspruchung
der Leistungstransistoren verkürzt sich deren Lebensdauer.
Wird andererseits - um diese hohe Schaltrate der
Leistungstransistoren im unteren Drehzahlbereich zu
verringern - die Zeitdauer zur Unterbrechung des Motorstrom
auf eine Drehzahl im mittleren Drehzahlbereich abgestimmt,
ergeben sich starke Motorstromeinbrüche und damit eine
hohe Drehmomentwelligkeit im oberen Drehzahlbereich. Fazit
ist, daß die in der DE-OS 35 25 210 vorgeschlagene Lösung
zwar für den speziellen Anwendungsfall brauchbar ist, daß
sie jedoch nicht verläßlich arbeitet, wenn die Drehzahl
über einen weiten Drehzahlbereich mit großer Genauigkeit
geregelt werden soll, wie es beispielsweise beim Antrieb von
Druckmaschinen der Fall ist. Hier ist unbedingt dafür Sorge
zu tragen, daß bei jeder beliebigen Druckgeschwindigkeit
Drehmomentschwankungen weitgehend unterdrückt werden, da sie
Passerfehler verursachen und damit zum Druck von Makulatur
führen.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung
die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Regelung des
Motorstroms bei einem bürstenlosen Gleichstrommotor
vorzuschlagen, durch welches sowohl die Stromwelligkeit des
Motors als auch die Taktfrequenz zur Beaufschlagung der
Phasenwicklungen mit Strom auf ein Mindestmaß reduziert
werden.
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß bei Erreichen des
Sollwertes des Motorstroms die schaltbaren Halbleiterventile
der beaufschlagten Brückenzweige für eine von der Drehzahl
abhängige Zeitdauer ts ausgeschaltet werden.
In einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen
Verfahrens ist vorgesehen, daß im motorischen Betrieb bei
Erreichen des Sollwertes des Motorstroms nur ein schaltbares
Halbleiterventil der beiden beaufschlagten Brückenzweige
ausgeschaltet wird. Durch die geringere Stromwelligkeit
wird hier die Verlustleistung und damit die Erwärmung der
Halbleiterventile - üblicherweise handelt es sich hierbei um
Leistungstransistoren - reduziert, was sich positiv auf die
Lebensdauer der Transistoren auswirkt.
Ein weiterer Vorteil, der sich aus dieser Ausführungsform
ergibt, betrifft die erhebliche Geräuschreduktion des
Motors während des motorischen Betriebs, also der
üblichen Zweckbestimmung des Motors. Die Ursache für die
Geräuschminderung liegt darin, daß bei Abschalten nur
eines der beiden Leistungstransistoren der beaufschlagten
Brückenzweige die am Motor anliegende Spannung um die Hälfte
reduziert wird: die getaktete Phasenwicklung liegt nun
entweder an der Spannung 0 Volt oder an der Betriebsspannung
UB der Gleichspannungsquelle. Desweiteren wird in
vorteilhafter Weise außerdem der Effektivstrom im Kondensator
verringert.
Während im motorischen Betrieb nur ein schaltbares
Halbleiterventil der mit Strom beaufschlagten Brückenzweige
getaktet wird, werden in einer vorteilhaften Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens im generatorischen Betrieb
die Halbleiterventile beider Brückenzweige bei Erreichen
des Sollwertes des Motorstrom ausgeschaltet. Alternativ
zur Vorgabe der drehzahlabhängigen Zeitdauer für die
Unterbrechung des Motorstroms kann die Stromregelung mittels
eines 2-Punkt-Stromreglers erfolgen, da im generatorischen
Betrieb der in die Spannungsquelle zurückfließende Strom
von der Einfachstrommessung im Gleichspannungs-Zwischenkreis
erfaßt wird, der Motorstrom also auch während des Stromabbaus
bekannt ist.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher
erläutert.
Es zeigt
Fig. 1 die Schaltung des Antriebs gemäß einer
Ausführungsform im motorischen Betrieb des
erfindungsgemäßen Verfahrens,
Fig. 1a während des Stromaufbaus,
Fig. 1b während des Stromabbaus,
Fig. 1c den Stromverlauf in einer Phasenwicklung im unteren
Drehzahlbereich für den motorischen Betrieb,
Fig. 1d den Stromverlauf in einer Phasenwicklung im oberen
Drehzahlbereich für den motorischen Betrieb,
Fig. 1e den Stromverlauf im Gleichspannungs-Zwischenkreis
für den motorischen Betrieb,
Fig. 2a den Stromverlauf in einer Phasenwicklung für den
generatorischen Betrieb,
Fig. 2b den Stromverlauf im Gleichspannungs-Zwischenkreis
für den generatorischen Betrieb,
Fig. 3 ein Blockschaltbild eines Gleichstromantriebs
entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren und
Fig. 4 ein Flußdiagramm für die Ansteuerung der Sperre.
In den Fig. 1a und 1b ist eine Schaltung des Antriebs
gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens
im motorischen Betrieb dargestellt. Fig. 1a zeigt die
Schaltung während des Stromaufbaus, in Fig. 1b ist die
Schaltung während des Stromabbaus dargestellt. Der Motor 1,
der als Ersatzschaltbild durch den Widerstand R, die
Induktivität L und eine Wechselspannungquelle dargestellt
ist, wird über den Gleichspannungs-Zwischenkreis-Umrichter
(Umrichter) 2 angesteuert. Die einzelnen Brückenzweige des
Umrichters 2 werden von jeweils einem Leistungstransistor Tr1
bis Tr 4 mit parallel geschalteter Freilaufdiode V1
bis V4 gebildet. Die Regelung des Motorstroms IM auf einen
vorgegebenen Sollwert erfolgte bisher in bekannter Weise in
beiden Betriebsarten durch das Ein- und Ausschalten zweier
Transistoren, die in diagonalen Brückenzweigen angeordnet
sind. Die Transistoren werden jeweils dann ein- bzw.
ausgeschaltet, wenn der Motorstrom einen unteren bzw. einen
oberen Stromgrenzwert erreicht. Um eine exakte Stromregelung
des oben beschriebenen 2-Punkt-Reglers sicherzustellen,
muß der Motorstrom in jedem Augenblick bekannt sein.
Hierzu ist es unerläßlich den Motorstrom IM in jeder
einzelnen Phasenwicklung zu messen. Um Stromschwankungen der
Gleichspannungsquelle 4 zu erkennen, sollte auch bei dieser
sogenannten Mehrfachstrommessung nicht auf eine zusätzliche
Messung des Stroms IZK im Gleichspannungs-Zwischenkreis 5
verzichtet werden.
Um die Mehrkosten einzusparen, die durch die Verwendung
mehrerer Strommeßeinrichtungen 4 verursacht werden, baut das
erfindungsgemäße Verfahren auf einer Einfachstrommessung
im Gleichspannungs-Zwischenkreis 5 auf. Eine für die
Strommessung geeignete Meßeinrichtung 4 ist in der
DE-OS 37 08 892 beschrieben.
Allerdings treten bei der Einfachstrommessung im
Gleichspannungs-Zwischenkreis 5 bei Taktung nur eines
Transistores während des motorischen Betriebs Probleme auf:
zwar ist der Anstieg des Motorstroms IM bei Schaltung der
Transistoren Tr1 und Tr4 in den leitenden Zustand identisch
mit dem Strom, der im Gleichspannungs-Zwischenkreis 5
gemessen wird, jedoch erfaßt die Meßeinrichtung 4 nicht
den sich abbauenden Strom, wenn der Transistor Tr1 bzw. Tr4
bei Erreichen des Motorstrom-Sollwetes IRef in den
Sperrzustand gesteuert werden. Der von der Meßeinrichtung 4
im Gleichspannungs-Zwischenkreis 5 gemessene Strom IZK ist in
Fig. 1e dargestellt. Die entsprechende Schaltung während des
Stromabbaus zeigt Fig. 1b.
Erreicht der Motorstrom IM einen oberen Grenzwert IRef
wird nur einer der beiden Transistoren - hier der
Transistor Tr4 - ausgeschaltet. Der Motorstrom IM baut sich
über den Transistor Tr1 und die Freilaufdiode V3, die dem
Transistor Tr3 parallel geschaltet ist, ab. Diese Art der
Ansteuerung zeigt keinerlei Auswirkungen auf den zeitlichen
Verlauf des Stromanstiegs, jedoch wird die Abbauzeit des
Stroms größer, da der Freilaufstrom aus der Induktivität L
über einen Stromkreis fließt, der über den Transistor Tr1 und
die Freilaufdiode V3 geschlossen wird.
Die Fig. 1c und 1d zeigen den Verlauf des Motorstroms IM,
der sich bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens
einstellt. Während die Stromaufbauzeit bei steigender
Motordrehzahl länger wird, erfolgt der Abbau des
Motorstroms IM infolge der größer werdenden Gegenspannung mit
steigender Drehzahl schneller, die Stromabbauzeit nimmt mit
steigender Drehzahl ab. Erfindungsgemäß wird die "Aus"-zeit
für die den Motorstrom leitenden Transistoren in Abhängigkeit
von der Drehzahl festgelegt. Die "Aus"-zeit ist also über den
gesamten Drehzahlbereich variabel und so bemessen, daß sowohl
die Welligkeit des Motorstroms IM und damit des Drehmoments
als auch die Schaltfrequenz möglichst gering sind. In
Fig. 1c, die den Stromverlauf im unteren Drehzahlbereich
zeigt, ist die "Aus"-zeit größer gewählt als in Fig. 1d,
die den Stromverlauf im oberen Drehzahlbereich skizziert.
Die Festsetzung der "Aus"-zeiten t1 bzw. t2 trägt der zuvor
beschriebenen reziproken Abhängigkeit der Stromabbauzeit von
der Drehzahl Rechnung.
In Fig. 2a ist der Verlauf des Motorstroms IM in einer
Phasenwicklung, in Fig. 2b der gleichzeitig gemessene
Strom IZK im Gleichspannungs-Zwischenkreis 5 für den
generatorischen Betrieb dargestellt. Da der sich
abbauende Motorstrom IM im generatorischen Betrieb bei
Abschalten der Transistoren über die Meßeinrichtung 4 in
die Gleichspannungsquelle 3 zurückfließt, stimmt der im
Gleichspannungs-Zwischenkreis 5 gemessene Strom IZK mit dem
Motorstrom IM jederzeit überein. Daher ist es hier auch
weiterhin möglich, den Motorstrom IM innerhalb der beiden
festgelegten Stromgrenzwerte mittels eines Zwei-Punkt-Reglers
zu regeln.
In Fig. 4 ist ein Blockschaltbild eines Gleichstromantriebs
zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
dargestellt. Der Gleichstromantrieb weist das
Ersatzschaltbild eines bürstenlosen Gleichstrommotors 1
mit permanent magnetischem Rotor und drei Phasenwicklungen
auf. Dem Gleichstrommotor 1 ist in bekannter Weise
ein Rotorlagegeber 6 zugeordnet, der die die
Kommutierungszeitpunkte bestimmenden Kommutierungssignale
liefert. Der Gleichspannungs-Zwischenkreis-Umrichter 2
des Gleichstrommotors 1 besteht aus einem netzseitigen
Gleichrichtermodul 8 und einer maschinenseitigen
Leistungsstufe 7. Die Leistungsstufe 7 ist als dreiphasige
Drehstrombrücke aufgebaut. Im Gleichspannungs-Zwischenkreis 5
mit eingeprägter Gleichspannung UZK wird
mittels einer Strommeßeinrichtung 4 der Strom im
Gleichspannungs-Zwischenkreis 5 potentialfrei gemessen
(Einfachstrommessung im Gleichspannungs-Zwischenkreis 5).
Die digitalen Signale des Rotorlagegebers 6
dienen als Drehzahl-Istwert und werden von der
Drehzahl-Istwert-Aufbereitung (D/A Wandler) 9 in eine
analoge Spannung umgesetzt. Da kein externer Tacho zur
Drehzahl-Istwert-Erfassung notwendig ist, stellt dies
eine sehr kostengünstige Lösung dar. Der Drehzahl-Sollwert
wird von der Sollwertvorgabe 10 zur Verfügung gestellt.
Die Drehzahlregelung erfolgt in bekannter Weise mittels
eines Drehzahlreglers 11 (üblicherweise ein PI-Regler),
einer Strombegrenzung 12 und einem Betragsbildner 13. Die
Drehzahlregelung liefert den Sollwert des Motorstroms für die
der Drehzahlregelung unterlagerte Stromregelung.
Der Istwert des Motorstroms wird, wie bereits
beschrieben, mittels einer Strommeßeinrichtung 4 im
Gleichspannungs-Zwischenkreis 5 gemessen. Im generatorischen
Betrieb arbeitet der Stromregler 14 als 2-Punkt-Stromregler.
Erreicht der Motorstrom die obere Grenze des
Stromregler-Hysteresebandes, werden die Leistungstransistoren
der Leistungsstufe 7, die entsprechend den Signalen
der Steuerlogik 15 und der Drehrichtungsumsteuerung 16
angesteuert werden, ausgeschaltet, bei Unterschreiten der
unteren Grenze des Stromregler-Hysteresbandes werden sie
wieder eingeschaltet.
Da der Stromregelung wegen des Betragsbildners 13 stets
eine positive Ausgangsspannung zugeführt wird, wird über
die Polaritätserkennung 19 der Drehrichtungsumsteuerung 16
ein Polaritätswechsel signalisiert. Die
Drehrichtungsumsteuerung 16 veranlaßt dann die entsprechende
Umsteuerung der Leistungstransistoren der Leistungsstufe 7
in die andere Betriebsart. Die Verknüpfung von
Drehrichtungsumsteuerung 16 und Leistungsstufe 7 erfolgt über
die Treiberstufe 17.
Die Steuerelektronik 18 erhält als Eingangssignale
die Information über die Solldrehrichtung von der
Polaritätserkennung 19 und die Signale des Rotorgebers, aus
denen Istdrehzahl und Istdrehrichtung ermittelt werden. In
der Steuerelektronik 18 wird mittels dieser Informationen die
"Aus"-zeit ts ermittelt.
Die berechnete Stromregler-Auszeit wird in die Register
des Zeitgebers 21 eingeschrieben. über die Steuerleitung 22
erhält der Stromregler 14 von der Steuerelektronik 18
Information über die jeweilige Betriebsart; beispielsweise
liegt am Stromregler 14 im generatorischen Betrieb logisch
"1" und im motorischen Betrieb logisch "0" an.
Ist die Steuerleitung 22 auf "0" gesetzt, arbeitet der
Stromregler 14 praktisch hysteresefrei. Ein Signal
zur Taktung nur eines der beiden Halbleiterventile des
beaufschlagten Brückenzweiges gelangt zur Treiberstufe 17.
Ein "Aus"-signal des Stromreglers über die Steuerleitung 23
triggert den Zeitgeber 21. Das Triggersignal wird mit dem
Ausgangssignal des Zeitgebers 21 auf das Oder-Glied 24
gegeben. Entsprechend der berechneten "Aus"-zeit ts wird
jeweils einer der beiden Transistoren der beaufschlagten
Brückenzweige bei Erreichen des Motorstrom-Sollwertes Iref
ausgeschaltet.
Ist die Datenleitung 22 auf "1" gesetzt, wird die
"Aus"-zeit ts = 0 in den Zeitgeber 21 gegeben. Der
Stromregler 14 arbeitet nun als 2-Punkt-Stromregler
mit Hysterese: beide Transistoren der beaufschlagten
Brückenzweige werden bei Erreichen des oberen
Stromgrenzwertes ausgeschaltet und bei Erreichen des unteren
Stromgrenzwertes eingeschaltet.
Fig. 5 zeigt ein Flußdiagramm des Programms der
Steuerelektronik 18 zum Ermitteln der "Aus"-zeit und zum
Laden des Zeitgebers 21. Bei 25 wird das Programm gestartet,
wenn ein neuer Drehzahl-Istwert zur Verfügung steht. Im
Programmteil 26 wird entschieden, ob motorischer Betrieb
vorliegt oder nicht. Für den motorischen Betrieb wird bei 27
der motorische Regler eingeschaltet und bei 29 wird die
errechnete "Aus"-zeit in den Zeitgeber 21 geladen. Wird
bei 26 festgelegt, daß generatorischer Betrieb vorliegt, wird
entsprechend Programmpunkt 30 der generatorische Stromregler
(2-Punkt-Stromregler) eingeschaltet.
Bezugszeichenliste
1 Gleichstrommotor
2 Gleichspannungs-Zwischenkreis-Umrichter (Umrichter)
3 Gleichspannungsquelle
4 Strommeßeinrichtung
5 Gleichspannungs-Zwischenkreis
6 Rotorlagegeber
7 Leistungsstufe
8 Gleichrichtermodul
9 Drehzahl-Istwert-Aufbereitung (DAC)
10 Sollwert-Vorgabe
11 Drehzahlregler
12 Strombegrenzung
13 Betragsbildner
14 Stromregler
15 Steuerlogik
16 Drehrichtungsumsteuerung
17 Treiberstufe
18 Steuerelektronik
19 Polaritätserkennung
20 Sperre
21 Zeitgeber
22 Steuerleitung
23 Steuerleitung
24 ODER-Glied
2 Gleichspannungs-Zwischenkreis-Umrichter (Umrichter)
3 Gleichspannungsquelle
4 Strommeßeinrichtung
5 Gleichspannungs-Zwischenkreis
6 Rotorlagegeber
7 Leistungsstufe
8 Gleichrichtermodul
9 Drehzahl-Istwert-Aufbereitung (DAC)
10 Sollwert-Vorgabe
11 Drehzahlregler
12 Strombegrenzung
13 Betragsbildner
14 Stromregler
15 Steuerlogik
16 Drehrichtungsumsteuerung
17 Treiberstufe
18 Steuerelektronik
19 Polaritätserkennung
20 Sperre
21 Zeitgeber
22 Steuerleitung
23 Steuerleitung
24 ODER-Glied
Claims (3)
1. Verfahren zur Regelung des Motorstroms in
den Phasenwicklungen eines bürstenlosen
Gleichstrommotors, wobei die einzelnen
Phasenwicklungen über einen elektronisch steuerbaren
Gleichspannungs-Zwischenkreis-Umrichter (Umrichter)
mit schaltbaren Halbleiterventilen und diesen
parallel geschalteten Freilaufdioden in den
einzelnen Brückenzweigen bestromt werden, und die
Istwert-Erfassung des Motorstrom ausschließlich im
Gleichspannungs-Zwischenkreis erfolgt,
dadurch gekennzeichnet,
daß bei Erreichen des Sollwertes des Motorstroms (IM)
die schaltbaren Halbleiterventile (Tr1, . . ., Tr4) der
beaufschlagten Brückenzweige für eine von der Drehzahl
abhängige Zeitdauer (ts) ausgeschaltet werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß im motorischen Betrieb bei Erreichen des
Sollwertes des Motorstroms (IM) nur ein schaltbares
Halbleiterventil (Tr1, . . ., Tr4) der beaufschlagten
Brückenzweige ausgeschaltet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß im generatorischen Betrieb bei Erreichen des
Sollwertes des Motorstroms (IM) beide schaltbaren
Halbleiterventile (Tr1, Tr4 bzw. Tr2, Tr3) in den
beaufschlagten Brückenzweigen ausgeschaltet werden.
Priority Applications (8)
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Applications Claiming Priority (1)
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Family
ID=6412594
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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