DE4406770C1

DE4406770C1 - 2-point regulation system for reluctance motor

Info

Publication number: DE4406770C1
Application number: DE4406770A
Authority: DE
Inventors: Reinhard Dr Ing Orthmann
Original assignee: Daimler Benz AG
Current assignee: Daimler Benz AG
Priority date: 1994-03-02
Filing date: 1994-03-02
Publication date: 1995-09-28
Anticipated expiration: 2014-03-03

Abstract

The regulation system uses a 2-point regulator for simultaneous control of the switches for both sides of each phase winding of the reluctance motor, with the winding current supplied back to the voltage source during the free-running phases via free-running diodes. The switch which is connected in series with the measuring shunt (R9), providing the actual input for the regulator, is periodically operated during the free-running phase, to provide a free-running short-circuit across the switch, the measuring shunt and a free-running diode, with simultaneous sampling of the actual current.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrich tung zur Zweipunktregelung eines geschalteten Reluktanzmotors.The invention relates to a method and a device device for two-point control of a switched reluctance motor.

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.Two-point controls are very common in technology has been applied. A two-point controller has its name from the fact that the output variable can only have two states. Such Two-point regulations are from the literature about Rege lung technology, such as "control technology" by Gerhard Pressler, first volume, basic elements; BI university pocket books 63 / 63a, 3rd ed. 1967, pp. 163 and 267.

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.With constant hysteresis, the switching frequency depends on the im single strand of the reluctance motor effective inductance and the counter voltage. The direct component of the actual value of the Stro mes is independent of the controlled system parameters.

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.However, it is disadvantageous that the actual value signal of the current is continuous must be present, regardless of the switching status of the power transistor. For the topology of the Power actuator of the switched reluctance motor that the lower circuit breaker for the entire opening time of a Motor train must remain switched on permanently. Since the Ab the effective voltage commutate only an order of magnitude of a few volts results in a very small clock frequency at a given current ripple compared to Ab commutation against the full DC supply voltage. The Demand for a continuous actual value of the current is however, it is difficult to achieve, since in the event that against a high counter voltage has to be commutated, the current in the measurement branch is interrupted.

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.A generic two-point control is from Mc. Minn, Rzesos, Szczesny, Jahns: "Application of Sensor Integration Techniques to Swiched Reluctance Motor Drives "in: IEEE, Transactions on Ind. Appl. Vol. 28, No. 6, Nov./Dec. 1992, pp. 1339-1344. Here is a drive system for one Reluctance motor described, in which no position sensor and no special current sensor for phase control must be used. The for Control used MOSFET transistors have a measuring branch, the Electricity measures. In the freewheeling phase, the switches are switched off, the freewheel current is commutated against the full supply voltage, and a Current measurement is not possible.

Die Freilaufphase wird deshalb nach einer vorbestimmten Zeit beendet. Damit handelt es sich aber auch nicht mehr um ein reines Zweipunkt-Regelverfahren.The free-running phase is therefore ended after a predetermined time. In order to it is no longer a purely two-point control procedure.

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.In US-5,043,643 a reluctance motor is described in which a control and Control device is provided, which consists of the inductances of the phase windings of the inductance motor derives signals which depend on the position of the Set a starting point for the rotor to switch off the phase windings. Of the Current is synchronized with the switches via resistors in series with the switches Switch control measured.

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.The invention has for its object in a method the type mentioned a two-point current control with ho fro freewheel voltage for switched reluctance motors with to achieve the highest possible control accuracy. This ver will drive according to the invention by the in the characteristic of Features listed claim 1 solved.

Der Vorteil des im folgenden beschriebenen Verfahrens liegt darin, daß bei einem Zweipunktstromregelverfahren ein Abkom mutieren gegen eine hohe Gegenspannung möglich ist.The advantage of the method described below is in that an agreement in a two-point current control method mutating against a high counter voltage is possible.

Die Erfindung wird anschließend anhand der Zeichnung für ein Beispiel näher erläutert.The invention is then based on the drawing for a Example explained in more detail.

Dabei zeigtIt shows

Fig. 1 ein Schaltbild eines dreisträngigen Reluktanzmotors mit der Ansteuerelektronik und Fig. 1 is a circuit diagram of a three-strand reluctance motor with the control electronics and

Fig. 2 den Regelkreis zur Regelung des Stromes durch die Motorwicklungen. Fig. 2 shows the control loop for regulating the current through the motor windings.

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.In Fig. 1, R, S and T the three windings ("strands") of the reluctance motor are shown, which should be kept at a constant speed by the current control, for example with changing loads. Other strand numbers are also possible.

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. The difference to the classic two-point control method lies in that in the freewheeling phase the lower circuit breaker does not remain permanently switched off, but for a short time Period is switched on again cyclically. During this The amount of current in the freewheeling circuit can be measured over a period of time continuously and supplied as actual information to the two-point current controller become.

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.If the actual value is not below at the end of this period the required barrier has dropped, the lower power becomes switch switched off again and the freewheeling phase continued puts.

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.The switch-on phase must last until the end of Output of the two-point current controller a defined current lies. This period is typically between one and ten Microseconds.

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.After a fixed, predetermined period of time, the lower lei Switch for sampling the current actual value in the Freewheeling circuit switched on again and the described process repeats itself if the actual current value does not meet the required Has fallen below the barrier. In this case, a memory element at its exit on log. 1 set. This signal indicates that the current in the load circuit up to its upper Limit is established.

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.If he has reached this, the output of the two-point current switches controller on log. 0. This clears the output of the memory elements and releases the sampling of the freewheeling current.

Der Stromistwert wird üblicherweise von einem übergeordneten Regler geführt, beispielsweise zur Regelung einer konstanten Drehzahl oder eines konstanten Drehmoments.The actual current value is usually from a higher-level Controllers guided, for example to regulate a constant Speed or a constant torque.

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.The advantage of this procedure is that for the duration of the freewheeling time a medium counter voltage on the freewheel circle acts directly from the duty cycle of the lower Circuit breaker and the level of the DC supply voltage calculated.

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. Fig. 2 shows an embodiment in mixed analog digital circuit technology. The circuit consists of three parts, the actual controller, a clock and the control electronics.

Die Schaltung besteht aus:The circuit consists of:

- two operational amplifiers IC1A and IC1B
- an analog comparator IC2A
an oscillator IC3 based on a ceramic resonator, which oscillates at 455 kHz and on provides logic-compatible output signal
- Four JK flip-flops with reset inputs IC4, IC5, IC6 and IC11
- an OR-NOT gate IC7A with two inputs
- an inverter IC8A
- an AND gate IC9A with two inputs
- A D flip-flop IC10 with an enable input.

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".The additional circuits IC12 and IC13 shown in FIG. 2 are the control circuits for the two power switches T _H and T _R. The duty cycle of the lower circuit breaker is three cycles "off" to one cycle "on".

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.In addition, eight resistors are required. The resistors R1 and R2 form a voltage divider with the divider factor 1/2. This serves to generate a reference voltage U _reference in the amount of half the supply voltage 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.The subsequent operational amplifier IC1A buffers them Reference voltage. The exit of this OP is not on the inverting input of the OP's IC1B switched. In addition is this output through resistor R5 with the non-invertie connected input of the comparator IC2A. On this one gang also couples output Q via resistor R6 of the D flip-flop IC10.

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.The setpoint value of the motor phase current I setpoint _is fed to the inverting input of IC1B via resistor R3. The output of the OP's couples back via resistor R4 to its inverting input. The resistors R3 and R4 have an identical resistance value. The setpoint is then mirrored to the output.

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.The output voltage U _out (IC1B) of the OP's is connected via the resistor R7 to the inverting input of the comparator IC2A. This comparator represents the actual two point current controller.

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.The hysteresis of this controller is known (see Tietze / Schenk semiconductor circuit technology) about that Resistance ratio R6 to R5 set. The actual value of the Mo Torstromes couples via the resistor R8 to the invert the input of the comparator IC2A. The resistors R7 and R8 are identical in their resistance value. Thereby own the setpoint and the actual value of the motor string current are the same Standardization. The actual value of the current is determined in this Embodiment via a measuring shunt 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.The output of the comparator IC2A is connected to the D input of the D flip-flops IC10 connected. On a negative edge on that The flip-flop stores the clock input, if provided via the Enable input enabled, the informa on its D input tion and passes it on to its exit.

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.The signal there represents the control signal of the power switch T _H. This signal is also the residual signal for the further switching of the freewheeling control.

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. Logically speaking, the output of IC10 indicates whether the current of the engine train in freewheeling (log. 0) or in the body phase (log. 1). Is the current in the construction phase, will the subsequent circuit permanently reset, which for The consequence of this is that the enable input of the IC10 is permanently enabled ben is.

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.The comparator IC2A recognizes from the comparison of target and Actual value signals of the motor current that the switching hysteresis after is exceeded, the output of the comparator tilts and with the next descending clock edge at the clock input of the This state (log. 0) is stored in D flip-flops IC10.

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.Due to the feedback via R6, the change at the output of the D flip-flops IC10 result in the non-inverting input of the comparator now the lower switching threshold of the current actual tes is present.

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.A logic zero at the output of IC10 has the further consequence that the circuit breaker T _{H is} switched off. The current in the engine train then freewheels. Furthermore, the sequence control for the freewheeling phase is released. It consists of a 3-bit synchronous counter, which is made up of three JK flip-flops. The first flip-flop IC4 is connected as a simple "toggle" FF. Its output, designated Q, in turn goes to the J and K inputs of flip-flop 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.The clock inputs of the three flip-flops, as well as the clock input of the D flip-flop IC10 become the output of the flip-flop IC11 fed. An oscillator feeds on its clock input for example based on a 455 kHz ceramic resonator is constructed. The flip-flop IC11 divides the oscillator frequency divided by two.

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.The output signals Q from IC5 and IC6 are supplied to an OR-NOT gate IC7A. At the output there is a pulse train with the desired duty cycle one to three (ON / OFF). This pulse sequence represents the control signal of the switch T _R.

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.The logical AND operation of this signal with the value of the inverting output of IC9A generates the enable signal for the D flip-flop IC10: Whenever the switch T _{R has been switched on} for a period of three clock cycles, the following negative clock edge, the sampling time, the information of the current regulator is transferred to the memory flip-flop.

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.The information at the output of the current controller must therefore have settled to its correct value within 3.5 / 455,000 sec = approx. 7.7 µs after switching on the switch T _R. If there is still a logical zero at the time of sampling, the system remains in freewheeling and samples the state of the current in freewheeling at a frequency of approx. 56 kHz. As soon as a log at the input of the flip-flop IC10. 1 is present at the time of sampling, the freewheeling mode is exited and only resumed after the current limit value has been exceeded again.

Claims

1. A method for two-point control of a switched reluctance tanzmotor with a two-point controller, the switch to the same direction on the sides of each phase winding, and which receives its actual value by an in-series to the first of the switches actual value transmitter, the winding current during the freewheeling phases open switches via freewheeling diodes against the supply voltage flows back into the voltage source, characterized in that a time control unit briefly switches on the first switch during the freewheeling phase, so that there is a freewheeling short circuit via the switch, the actual value transmitter and a freewheeling diode, and at the same time enables the current actual value sampling.

2. The method according to claim 1, characterized in that the Time between two current actual samples tes is 1 µs-1 ms.

3. The method according to any one of claims 1 or 2, characterized ge indicates that the time between two samples current actual value is 1 µs-50 µs.

4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized ge indicates that a memory element (IC10) is provided which is at its output on log. 1 is set if the current is below the lower two-point controller limit steps.

5. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized ge indicates that after reaching the upper two-point reg limit value for the current in the load circuit (RST) element (IC10) on log. 0 is set and the Abta the freewheeling current releases.