DE4406770C1 - Verfahren zur Zweipunktregelung eines geschalteten Reluktanzmotors - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrich­ tung zur Zweipunktregelung eines geschalteten Reluktanzmotors.

Zweipunktregelungen sind in der Technik schon sehr häufig ver­ wendet worden. Ein Zweipunktregler hat seinen Namen daher, daß die Ausgangsgröße nur zwei Zustände haben kann. Solche Zweipunktregelungen sind aus der Literatur über Rege­ lungstechnik, wie beispielsweise "Regelungstechnik" von Gerhard Pressler, erster Band, Grundelemente; BI-Hochschultaschenbücher 63/63a, 3. Aufl. 1967, S. 163 und 267, bekannt.

Bei konstanter Hysterese hängt die Schaltfrequenz von der im einzelnen Strang des Reluktanzmotors wirksamen Induktivität und der Gegenspannung ab. Der Gleichanteil des Istwertes des Stro­ mes ist dabei unabhängig von den Parametern der Regelstrecke.

Nachteilig ist aber, daß das Istwertsignal des Stromes kontinu­ ierlich vorliegen muß, und zwar unabhängig vom Schaltzustand des Leistungstransistors. Dies bedingt für die Topologie des Leistungsstellgliedes des geschalteten Reluktanzmotors, daß der untere Leistungsschalter für die gesamte Einschaltzeit eines Motorstranges permanent eingeschaltet bleiben muß. Da beim Ab­ kommutieren die dabei wirksame Spannung nur eine Größenordnung von einigen Volt aufweist, ergibt sich eine sehr kleine Takt­ frequenz bei vorgegebener Stromwelligkeit im Vergleich zur Ab­ kommutierung gegen die volle Versorgungsgleichspannung. Die Forderung nach einem kontinuierlichen Istwert des Stromes ist jedoch nur schwer zu verwirklichen, da für den Fall, daß gegen eine hohe Gegenspannung abzukommutieren ist, der Strom im Meß­ zweig unterbrochen ist.

Eine gattungsgemäße Zweipunktregelung ist aus Mc. Minn, Rzesos, Szczesny, Jahns: "Applikation of Sensor Integration Techniques to Swiched Reluctance Motor Drives" in: IEEE, Transactions on Ind. Appl. Vol. 28, Nr. 6, Nov./Dez. 1992, S. 1339-1344, bekannt. Hier wird ein Antriebssystem für einen geschal­ teten Reluktanzmotor beschrieben, bei dem kein Positionssensor und kein besonderer Stromsensor für die Phasensteuerung benutzt werden muß. Die zur Ansteuerung benutzten MOSFET-Transistoren besitzen ein Meßabzweig, der den Strom mißt. In der Freilaufphase sind die Schalter ausgeschaltet, der Freilauf­ strom wird gegen die volle Versorgungsgleichspannung abkommutiert, und eine Strommessung ist nicht möglich.

Die Freilaufphase wird deshalb nach einer vorbestimmten Zeit beendet. Damit handelt es sich aber auch nicht mehr um ein reines Zweipunkt-Regelverfahren.

In der US-5,043,643 wird ein Reluktanzmotor beschrieben, bei dem ein Kontroll- und Regelorgan vorgesehen ist, das aus den Induktanzen der Phasenwicklungen des Induktanzmotors Signale ableitet, welche abhängig von der Position des Rotors einen Startpunkt zum Abschalten der Phasenwicklungen festlegen. Der Strom wird über Widerstände in Reihe zu den Schaltern zeitsynchron mit der Schalteransteuerung gemessen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Verfahren der eingangs erwähnten Art eine Zweipunktstromregelung mit ho­ her Freilaufgegenspannung für geschaltete Reluktanzmotoren mit möglichst hoher Regelgenauigkeit zu verwirklichen. Dieses Ver­ fahren wird gemäß der Erfindung durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 aufgeführten Merkmale gelöst.

Der Vorteil des im folgenden beschriebenen Verfahrens liegt darin, daß bei einem Zweipunktstromregelverfahren ein Abkom­ mutieren gegen eine hohe Gegenspannung möglich ist.

Die Erfindung wird anschließend anhand der Zeichnung für ein Beispiel näher erläutert.

Dabei zeigt

Fig. 1 ein Schaltbild eines dreisträngigen Reluktanzmotors mit der Ansteuerelektronik und

Fig. 2 den Regelkreis zur Regelung des Stromes durch die Motorwicklungen.

In Fig. 1 sind R, S und T die drei Wicklungen ("Stränge") des Reluktanzmotors dargestellt, welcher durch die Stromregelung beispielsweise bei wechselnder Last auf einer konstanten Dreh­ zahl gehalten werden soll. Es sind auch andere Strangzahlen möglich.

Der Unterschied zum klassischen Zweipunktregelverfahren liegt darin, daß in der Freilaufphase der untere Leistungsschalter nicht permanent ausgeschaltet bleibt, sondern für eine kurze Zeitdauer zyklisch wieder eingeschaltet wird. Während dieser Zeitspanne kann die Höhe des Stromes im Freilaufkreis abgeta­ stet und als Istinformation dem Zweipunktstromregler zugeführt werden.

Ist der Istwert am Ende dieser Zeitspanne noch nicht unterhalb der geforderten Schranke abgefallen, wird der untere Leistungs­ schalter wieder ausgeschaltet und die Freilaufphase fortge­ setzt.

Die Einschaltphase muß solange dauern, daß bis zu ihrem Ende am Ausgang des Zweipunktstromreglers ein definierter Strom an­ liegt. Typisch liegt diese Zeitspanne zwischen einer und zehn Mikrosekunden.

Nach einer festen, vorgegebenen Zeitspanne wird der untere Lei­ stungsschalter zum Abtasten des aktuellen Stromistwertes im Freilaufkreis wieder eingeschaltet und der geschilderte Prozeß wiederholt sich, sofern der Stromistwert nicht die geforderte Schranke unterschritten hat. In diesem Falle wird ein Speicher­ element an seinem Ausgang auf log. 1 gesetzt. Dieses Signal zeigt an, daß der Strom im Lastkreis bis zu seinem oberen Grenzwert aufgebaut wird.

Hat er diesen erreicht, schaltet der Ausgang des Zwei-Punkt-Strom­ reglers auf log. 0. Dies löscht den Ausgang des Speicher­ elements und gibt die Abtastung des Freilaufstromes frei.

Der Stromistwert wird üblicherweise von einem übergeordneten Regler geführt, beispielsweise zur Regelung einer konstanten Drehzahl oder eines konstanten Drehmoments.

Der Vorteil dieses Verfahrens liegt darin, daß für die Dauer der Freilaufzeit eine mittlere Gegenspannung auf den Freilauf­ kreis wirkt, die sich direkt aus dem Tastverhältnis des unteren Leistungsschalters und der Höhe der Versorgungsgleichspannung errechnet.

Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel in gemischter analog­ digitaler Schaltungstechnik. Die Schaltung besteht aus drei Teilen, dem eigentlichen Regler, einem Taktgeber und der An­ steuerelektronik.

Die Schaltung besteht aus:

• - zwei Operationsverstärkern IC1A und IC1B
• - einem analogen Komparator IC2A
• - einem Oszillator IC3 auf der Basis eines Keramikresonators, der beispielsweise bei 455 kHz schwingt und ein logikkompatibles Ausgangssignal liefert
• - vier JK-Flipflops mit Rücksetzeingang IC4, IC5, IC6 und IC11
• - einem ODER-NICHT-Gatter IC7A mit zwei Eingängen
• - einem Inverter IC8A
• - einem UND-Gatter IC9A mit zwei Eingängen
• - einem D-Flipflop IC10 mit einem Enable-Eingang.

Die zusätzlich in Fig. 2 dargestellten Schaltkreise IC12 und IC13 sind die Ansteuerschaltungen für die beiden Leistungsschalter T_H und T_R. Das Tastverhältnis des unteren Leistungsschalters beträgt drei Takte "Aus" zu einem Takt "Ein".

Darüber hinaus sind acht Widerstände erforderlich. Die Wider­ stände R1 und R2 bilden einen Spannungsteiler mit dem Teilerfaktor 1/2. Dies dient zur Erzeugung einer Bezugsspannung U_Bezug in der Höhe der halben Versorgungsspannung V_cc.

Der nachfolgende Operationsverstärker IC1A puffert diese Bezugsspannung. Der Ausgang dieses OP′s wird auf den nicht invertierenden Eingang des OP′s IC1B geschaltet. Zusätzlich ist dieser Ausgang über den Widerstand R5 mit dem nicht invertie­ renden Eingang des Komparators IC2A verbunden. Auf diesen Ein­ gang koppelt zusätzlich über den Widerstand R6 der Ausgang Q des D-Flipflops IC10 zurück.

An den invertierenden Eingang von IC1B wird über den Widerstand R3 der Sollwert des Motorstrangstromes I_soll zugeführt. Der Ausgang des OP′s koppelt über den Widerstand R4 auf seinen invertierenden Eingang zurück. Die Widerstände R3 und R4 haben einen identischen Widerstandswert. Damit wird der Sollwert auf den Ausgang gespiegelt.

Die Ausgangsspannung U_out (IC1B) des OP′s wird über den Wider­ stand R7 mit dem invertierenden Eingang des Komparators IC2A verbunden. Dieser Komparator stellt den eigentlichen Zwei­ punktstromregler dar.

Die Hysterese dieses Reglers wird in bekannter Weise (s. Tietze/Schenk Halbleiterschaltungstechnik) über das Widerstandsverhältnis R6 zu R5 eingestellt. Der Istwert des Mo­ torstromes koppelt über den Widerstand R8 auf den invertieren­ den Eingang des Komparators IC2A zurück. Die Widerstände R7 und R8 sind in ihrem Widerstandswert identisch. Dadurch besitzen der Sollwert und der Istwert des Motorstrangstromes die gleiche Normierung. Ermittelt wird der Istwert des Stromes in diesem Ausführungsbeispiel über einen Meßshunt R9.

Der Ausgang des Komparators IC2A wird mit dem D-Eingang des D-Flipflops IC10 verbunden. Auf eine negative Flanke an dessen Takteingang hin speichert das Flipflop, sofern über den Enable-Eingang freigegeben, die an seinem D-Eingang liegende Informa­ tion und reicht sie an seinen Ausgang weiter.

Das Signal dort stellt das Ansteuersignal des Leistungsschal­ ters T_H dar. Auch ist dieses Signal das Restsignal für die wei­ tere Schaltung der Freilaufsteuerung.

Logisch betrachtet zeigt der Ausgang von IC10 an, ob der Strom des Motorstranges sich im Freilauf (log. 0) oder in der Aufbau­ phase (log. 1) befindet. Ist der Strom in der Aufbauphase, wird die nachfolgende Schaltung dauerhaft zurückgesetzt, was zur Folge hat, daß der Enable-Eingang des IC10 dauerhaft freigege­ ben ist.

Erkennt der Komparator IC2A aus dem Vergleich von Soll- und Istwertsignalen des Motorstromes, daß die Schalthysterese nach oben überschritten wird, so kippt der Ausgang des Komparators und mit der nächsten absteigenden Taktflanke am Takteingang des D-Flipflops IC10 wird dieser Zustand (log. 0) abgespeichert.

Durch die Rückkopplung über R6 hat die Änderung am Ausgang des D-Flipflops IC10 zur Folge, daß am nicht invertierenden Eingang des Komparators nun die untere Schaltschwelle des Stromistwer­ tes anliegt.

Eine logische Null am Ausgang von IC10 hat weiter zur Folge, daß der Leistungsschalter T_H abgeschaltet wird. Damit geht der Strom im Motorstrang in den Freilauf. Desweiteren wird die Ablaufsteuerung für die Freilaufphase freigegeben. Sie besteht aus einem 3-Bit-Synchronzähler, der aus drei JK-Flipflops auf­ gebaut ist. Das erste Flipflop IC4 ist als einfaches "Toggle"-FF verschaltet. Dessen Ausgang, mit Q bezeichnet, geht wiederum auf den J und K-Eingang des Flipflops IC6.

Die Takteingänge der drei Flipflops, wie auch der Takteingang des D-Flipflops IC10 werden aus dem Ausgang des Flipflops IC11 gespeist. Auf dessen Takteingang speist ein Oszillator, der beispielsweise auf der Basis eines 455 kHz-Keramikresonators aufgebaut ist. Das Flipflop IC11 teilt die Oszillatorfrequenz durch zwei.

Die Ausgangssignale Q von IC5 und von IC6 werden einem ODER-NICHT-Gatter IC7A zugeführt. An dessen Ausgang liegt eine Im­ pulsfolge mit dem erwünschten Tastverhältnis eins zu drei (EIN/AUS). Diese Impulsfolge stellt das Ansteuersignal des Schalters T_R dar.

Die logische UND-Verknüpfung dieses Signales mit dem Wert des invertierenden Ausgangs von IC9A erzeugt das Freigabesignal für das D-Flipflop IC10: Immer wenn der Schalter T_R für eine Dauer von drei Taktzyklen eingeschaltet war, wird mit der folgenden negativen Taktflanke, dem Abtastzeitpunkt, die Information des Stromreglers in das Speicher-Flipflop übernommen.

Die Information am Ausgang des Stromreglers muß somit innerhalb von 3,5/455.000 sec = ca. 7,7 µs nach Einschalten des Schal­ ters T_R auf seinen korrekten Wert eingeschwungen sein. Liegt zum Abtastzeitpunkt weiterhin eine logische Null an, bleibt das System im Freilauf und tastet mit einer Frequenz von ca. 56 kHz den Zustand des Stromes im Freilauf ab. Sobald am Eingang des Flipflops IC10 eine log. 1 zum Abtastzeitpunkt anliegt, wird der Freilaufmodus verlassen und erst nach erneutem Überschrei­ ten des oberen Grenzwertes durch den Stromistwert wieder aufge­ nommen.

Claims (5)

1. Verfahren zur Zweipunktregelung eines geschalteten Reluk­ tanzmotors mit einem Zweipunktregler, der Schalter zu bei­ den Seiten einer jeden Phasenwicklung gleichsinnig ansteu­ ert, und der seinen Istwert durch einen in Reihe zu dem ersten der Schalter liegenden Istwertgeber erhält, wobei der Wicklungsstrom während der Freilaufphasen bei offenen Schaltern über Freilaufdioden gegen die Versorgungsspan­ nung in die Spannungsquelle zurückfließt, dadurch gekennzeichnet, daß ein Zeitsteuerwerk den ersten Schalter während der Freilaufphase periodisch kurzzeitig einschaltet, so daß sich ein Freilauf-Kurzschlußkreis über den Schalter, den Istwertgeber und eine Freilaufdiode ergibt, und gleichzei­ tig die Stromistwertabtastung freigibt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitspanne zwischen zwei Abtastvorgängen des Stromistwer­ tes 1 µs-1 ms beträgt.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Zeitspanne zwischen zwei Abtastvor­ gängen des Stromistwertes 1 µs-50 µs beträgt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß ein Speicherelement (IC10) vorgesehen ist, welches an seinem Ausgang auf log. 1 gesetzt wird, wenn der Strom den unteren Zweipunktregler-Grenzwert un­ terschreitet.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß nach Erreichen des oberen Zweipunktreg­ ler-Grenzwertes für den Strom im Lastkreis (RST) das Spei­ cherelement (IC10) auf log. 0 gesetzt wird und die Abta­ stung des Freilaufstromes freigibt.