-
Offenbarung
der Erfindung
-
Die
vorliegende Erfindung ist gerichtet auf ein Verfahren zum Steuern
und Schützen
von elektrischen Motoren, insbesondere Permanentmagnetmotoren, die
elektronisch durch eine Steuersystem betätigt werden, das eine Dreiphasen-Wechselrichterbrücke aufweist,
in welchem es erforderlich ist, die Position des Rotors durch Verwendung
eines Positionsdetektors zu überwachen,
der körperlich
an der Achse befestigt ist, oder durch die durch den Magneten in
den Wicklungen induzierte Spannung, um die Betätigung durch das Steuersystem
korrekt zu steuern. Die vorliegende Erfindung ist auch auf ein System
zum Steuern elektrischer Motoren und ein elektrisches Motorsystem
gerichtet.
-
Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, zu verhindern,
dass ein oder mehr Schalter der Dreiphasen-Wechselrichterbrücke zu einer nicht
ordnungsgemäßen Zeit
betätigt
werden, was zu der Erzeugung hoher Ströme, die von dem Stromdetektor
nicht erfasst werden können,
führen
kann, welche Ströme
die Selbstentmagnetisierung des Rotormagneten bewirken können, neben
dem Bewirken von Schäden
an den Schaltern der Wechselrichterbrücke.
-
Beschreibung
des Standes der Technik
-
Die
Erfassung der Rotorposition ist erforderlich für die Betätigung von Permanentmagnetmotoren.
-
Gemäß dem Stand
der Technik bezüglich
der vorliegenden Erfindung kann eine derartige Erfassung erzielt
werden durch Sensoren, die körperlich mit
dem Rotor verbunden sind ("Hall", optischer Typ und
dergleichen) oder durch Beobachten der in den Motorwicklungen selbst
induzierten Spannungen, wie in der brasilianischen Patentanmeldung
PI 8805485 beschrieben ist, in einer solchen Weise, dass die Steuerung
korrekt auswählen
kann, welche Phasen des Motors zu jeder Zeit aktiviert werden.
-
Wie
nachfolgend im Einzelnen beschrieben wird, analysiert die Steuereinheit,
wenn sie normal arbeitet, das Eingangssignal des Positionsdetektors und
des Stromschutzdetektors, wodurch die jeweiligen Ausgangssignale
gemäß einer
vorbestimmten Tabelle aktiviert werden. Wenn jedoch ein Fehler in dem
Positionsdetektor auftritt, ist es wahrscheinlich, dass ein oder
mehr Schalter der Dreiphasen-Wechselrichterbrücke nicht ordnungsgemäß aktiviert
werden, mit der möglichen
Folge der Erzeugung von hohen Strömen, die von dem Stromdetektor
nicht erfasst werden, was zu der Selbstentmagnetisierung des Motormagneten
führt und
die Schalter der Dreiphasen-Wechselrichterbrücke beschädigt.
-
Wie
bekannt ist, erschwert die Entmagnetisierung des Magnets den Start
des Motors, verringert die Ausgangsleistung und überhitzt den Motor, was in allen
Fällen
nicht zulässig
ist.
-
Gemäß dem für diese
Erfindung relevanten Stand der Technik werden die folgenden Maßnahmen
zum Verhindern der Selbstentmagnetisierung des Motormagneten durchgeführt: die
Ausbildung eines robusteren Motors mit einer vergrößerten Magnetdicke,
was die Kosten erheblich steigern würde, insbesondere in Anbetracht
eines größeren Magneten;
die Installation eines Stromschutzdetektors in jedem Schalter oder
jeder Phase des Motors, was nicht nur die Kosten, sondern auch die
Komplexität
des Systems erhöhen
würde aufgrund
der größeren Anzahl
von Detektoren und für
die Steuerung zu analysierenden Signale; oder die einfache Eliminierung des
Schutzes gegen Selbstentmagnetisierung, wodurch die Integrität des Motors
unter die statistische Möglichkeit
des Auftretens eines Versagens gestellt wird, was eine schwerwiegende
Gefahr nicht nur für das
System, sondern auch für
das Ansehen des Herstellers darstellt.
-
Eine
der aus dem Stand der Technik bekannten Techniken zum Überwachen
der Position des Rotors eines elektrischen Motors ist im Dokument
US 4 532 461 offenbart.
Diese Lösung
liefert einen Schutz für
den Motor, wenn eine nicht korrekte Position des Rotors erfasst
wird. Gemäß dieser
Technik wird eine Folge von Positionen überwacht und gemessen, ob in
dieser Folge eine Abweichung gegenüber einer vorbestimmten Folge
auftritt.
-
Ein
anderes Dokument nach dem Stand der Technik, das sich auf ein zum Überwachen
des Rotors eines elektrischen Motors verwendetes System bezieht,
ist offenbart in
JP 09261991 .
Gemäß der Lehre
dieses Dokuments soll die Zeit zwischen dem Durchgang des Rotors
an einem bestimmten Pol des Motors und dem Durchgang an dem folgenden
Pol überwacht
werden mittels der zwischen diesen Ereignissen verstrichenen Zeit.
-
Kurze Beschreibung
und Aufgaben der Erfindung
-
Nach
einer Anzahl von Untersuchungen hat sich erwiesen, dass, wenn er
normal arbeitet und derselben Drehrichtung folgt, die Folge, bei
der die Positionen des Rotors in dem Sensor aktualisiert wird, immer
dieselbe ist. Somit kann eine derartige Folge vorbestimmt werden,
wodurch die Steuereinheit des Systems zum Steuern eines Motors die
Folge vorhersehen kann, bei der die Positionen des Rotors geändert werden.
Wenn die Geschwindigkeit, mit der sich der Motor dreht, bekannt
ist, ist es möglich,
die Zeit vorherzusagen, zu der die Position des Rotors geändert wird.
-
Mit
dieser Information kann die Steuereinheit ein Versagen beim Betätigen des
Motors verhindern, wodurch die Integrität des Rotormagneten und der Schalter
der Wechselrichterbrücke
sichergestellt werden.
-
Gemäß den Lehren
der vorliegenden Erfindung akzeptiert die Steuereinheit nur die
die vorhergesagte Position für
die anwendbare Drehrichtung als gültig, und immer zu der für die gegenwärtige Geschwindigkeit
erwarteten Zeit.
-
Vorzugsweise
sollte, wenn diese Zeit bestimmt wird, ein eine Minimalzeit und
eine Maximalzeit definieren der Toleranzbereich, während welchem
eine Änderung
in der Position stattfinden sollte, berücksichtigt werden.
-
Die
vorliegende Erfindung hat die Vorteile im Vergleich zum Stand der
Technik, dass es nicht erforderlich ist, den Rotormagneten übermäßig groß auszubilden,
die Kosten und die Komplexität
des Motors werden verringert und der gegenwärtige Schutzdetektor wird vereinfacht,
wobei dem System zusätzlich eine
größere Zuverlässigkeit
verliehen wird.
-
Derartige
Vorteile werden erzielt durch ein Verfahren zum Steuern und Schützen von
elektrischen Motoren, die mit einem Rotor versehen sind, insbesondere
Permanentmagnetmotoren, die elektronisch durch ein Steuersystem
betätigt
werden, wobei der elektrische Motor Pole aufweist, welches Steuersystem
einen Positionsdetektor aufweist, der die Kommutationspositionen
des Rotors mit Bezug auf die Pole des Motors erfasst, welches Verfahren dadurch
gekennzeichnet ist, dass es die Schritte aufweist: kontinuierliches
Wiederholen des Schrittes des Lesens des Positionsdetektors, bis
eine minimale erwartete Zeit vergangen ist, und Abschalten des Steuersystems,
wenn eine Änderung
in der Position des Rotors durch den Positionsdetektor erfasst wird,
wobei begonnen wird, die minimale erwartete Zeit zu zählen, wenn
eine Änderung
in der Position des Rotors des Motors stattfindet; nachdem die minimale
erwartete Zeit vergangen ist, kontinuierliches Wiederholen des Schrittes
des Lesens des Positionsdetektors, bis eine Änderung in der Position des
Rotors erfasst wird, und Abschalten des Steuersystems, wenn eine
maximale erwartete Zeit vergangen ist, wobei die maximale erwartete
Zeit nachfolgend gezählt wird,
nachdem die minimale erwartete Zeit vergangen ist; wenn eine Positionsänderung
innerhalb der maximalen erwarteten Zeit erfasst wird, Messen der Position
des Rotors und Betätigen
der nächsten
Phase des Motors, wenn die von dem Rotor erreichte Position eine
vorher vorhergesagte korrekte Position ist, oder Abschalten des
Systems, wenn die von dem Motor erreichte Position nicht die vorher
vorhergesagte korrekte Position ist; Messen der zu erfassenden Position
des Rotors, wenn eine vollständige
Umdrehung erreicht wurde, und wenn eine Umdrehung des Rotors beendet
wurde, Lesen der Drehgeschwindigkeit des Rotors und Berechnen eines
korrigierten Wertes der maximalen und der minimalen erwarteten Zeit,
und danach Wiederholen der Schritte von dem Schritt des kontinuierlichen
Wiederholens des Schrittes des Lesens des Positionsdetektors, bis eine
minimale erwartete Zeit vergangen ist, oder, wenn eine vollständige Umdrehung
des Rotors nicht beendet wurde, Wiederholen der Schritte von dem Schritt
des kontinuierlichen Wiederholens des Schrittes des Lesens des Positionsdetektors,
bis eine minimale erwartete Zeit vergangen ist.
-
Die
vorliegende Erfindung wird auch ausgedrückt als ein Steuersystem für einen
elektrischen Motor, insbesondere einen Permanentmagnetmotor, wobei
der Motor Pole und einen Rotor aufweist, welches Steuersystem eine
Dreiphasen-Wechselrichterbrücke
und einen Positionsdetektor, der zur Erfassung der Kommutationspositionen
des Rotors mit Bezug auf die Pole des Motors geeignet ist, aufweist, welches
Steuersystem dadurch gekennzeichnet ist, dass es eine Mikrosteuervorrichtung
aufweist, die mit dem Positionsdetektor und weiterhin mit einem
Zähler
assoziiert ist, das Steuersystem ausgebildet ist zum kontinuierlichen
Wiederholen des Schrittes des Lesens des Positionsdetektors, bis
eine minimale erwartete Zeit vergangen ist, wobei die minimale erwartete
Zeit mittels des Zählers
gezählt
wird, wobei begonnen wird, die minimale erwartete Zeit zu zählen, wenn
eine Änderung
in der Position des Rotors des Motors stattfindet, und das Steuersystem
abgeschaltet wird, wenn eine Positionsänderung des Rotors durch den
Positionsdetektor innerhalb der minimalen erwarteten Zeit erfasst
wird, das Steuersystem ausgebildet ist zum kontinuierlichen Wiederholen
des Schrittes des Lesens des Positionsdetektors bis eine Änderung
in der Position des Rotors erfasst wird, und zum Abschalten des
Steuersystems, wenn eine maximale erwartete Zeit vergangen ist,
wobei die maximale erwartete Zeit mittels des Zählers gezählt wird und nachfolgend gezählt wird,
nachdem die minimale Zeit vergangen ist, das Steuersystem ausgebildet
ist zum Vergleichen der Positionsänderungen des Rotors mit einer
vorher vorhergesagten korrekten Position, und das Steuersystem abgeschaltet
wird, wenn die durch den Rotor erreichte Position nicht eine vorher
vorhergesagte korrekte Position ist, und das Steuersystem ausgebildet
ist zum Überwachen
der Position des Rotors für
das Lesen der Drehgeschwindigkeit des Rotors und zum Berechnen eines
korrigierten Wertes der maximalen und der minimalen erwarteten Zeit,
nachdem eine vollständige
Umdrehung des Rotors beendet wurde.
-
Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
-
Die
vorliegende Erfindung wird nachfolgend im Einzelnen mit Bezug auf
die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
-
1 stellt
ein Blockschaltbild eines elektrischen Motorsystems dar, das elektronisch durch
ein Steuersystem betätigt
wird;
-
2 ist
eine schematische Darstellung einer Dreiphasen-Wechselrichterbrücke;
-
3 ist
eine Dreiphasen-Wechselrichterbrücken-Betätigungstabelle;
und
-
4 ist
ein generelles Flussdiagramm eines Verfahrens zum Steuerns und Schützen elektrischer
Motoren, das die Lehren dieser Erfindung enthält.
-
Detaillierte
Beschreibung der Erfindung
-
Gemäß den 1 und 2 wird
ein elektrisches Motorsystem 1 elektronisch durch ein Steuersystem 2 betätigt, das
grundsätzlich
eine Gleichrichterbrücke 3,
ein kapazitives Filter 4, eine Dreiphasen-Wechselrichterbrücke 5,
einen Dreiphasenmotor, der mit einem Permanentmagnetrotor versehen ist,
eine Steuereinheit 11, Positionsdetektoren SA, SB und SC
sowie einen Stromschutzdetektor PI aufweist.
-
Wie
im Stand der Technik bekannt ist, ist die Steuereinheit 11 verantwortlich
für. die Überwachung der
Positionsdetektoren SA, SB und SC und des Stromschutzdetektors PI,
um durch die jeweiligen Ausgangssignale die Schalter T1 bis T6 der
Dreiphasen-Wechselrichterbrücke 5 zu
einer geeigneten Zeit entsprechend der in 3 illustrierten
Tabelle zu erregen.
-
Somit
liefert als Antwort auf den Befehl der Steuereinheit 11 die
Dreiphasen-Wechselrichterbrücke 5 auch
einen Strom zu den Wicklungen des Motors 10 zu der richtigen
Zeit.
-
Wie
bereits erwähnt
wurde, ist es in dem Fall, dass ein Versagen in den Positionsdetektoren
SA, SB und SC auftritt, möglich,
dass einer oder mehrere der Schalter T1 bis T6 der Dreiphasen-Wechselrichterbrücke 5 nicht
ordnungsgemäß aktiviert
werden, wodurch hohe Ströme
erzeugt werden können,
die von dem Stromschutzdetektor PI nicht erfasst werden, was zu
der Selbstentmagnetisierung des Motors führt und die Schalter T1 bis
T6 der Dreiphasen-Wechselrichterbrücke 5 beschädigt.
-
Gemäß den Lehren
der vorliegenden Erfindung enthält
das Steuersystem 2 auch eine Mikrosteuervorrichtung (nicht
gezeigt), die in der Lage ist, die Positionen des Rotors als eine
Funktion der Zeit zu analysieren, assoziiert mit einem Zähler, der
in der Lage ist, aufeinander folgende Schritte der Zeitzählung durchzuführen. Wie
im Stand der Technik bekannt ist, kann ein derartiger Zähler eine
interne Komponente der Mikrosteuervorrichtung sein.
-
Der
Zähler
wird auf null gesetzt, wann immer eine Änderung in der Position des
Rotors des elektrischen Motors 10 stattfindet, wobei das
Zählen
einer ersten Zeitperiode begonnen wird, während der der Rotor zwischen
einer Position und einer anderen sein sollte. Später wird das Zählen einer
zweiten Zeitperiode gestartet, während
der der Rotor durch die nächste
Position hindurchgehen sollte.
-
In
einem Dreiphasenmotor mit zwei Polen gibt es sechs Basispositionen
P1 bis P6 des Rotors, wie in 3 gezeigt
ist, welche Positionen von dem Rotor aufeinander folgend während einer
jeweiligen zweiten Zeit periode erreicht werden sollten.
-
Wenn
der Rotor während
der ersten Zeitperiode durch eine der Positionen hindurchgeht, was
zu früh
wäre, oder
nachdem die zweite Zeitperiode verstrichen ist, was zu spät sein würde, bedeutet
dies, dass ein Fehler aufgetreten ist, und dann schaltet die Mikrosteuervorrichtung
das Steuersystem 2 ab, um weitere Schäden zu vermeiden, wodurch die
Integrität
des Rotormagneten und der Schalter der Dreiphasen-Wechselrichterbrücke erhalten
bleibt.
-
Wenn
der Rotor während
der zweiten Zeitperiode durch die korrekte Position hindurchgeht,
gibt die Mikrosteuervorrichtung ein Ausgangsaktualisierungssignal
aus und startet den Zähler
wieder, wodurch derselbe wiederhergestellt wird für die Zählung der
ersten und der zweiten Zeitperiode entsprechend der nächsten Position,
durch die der Rotor hindurchgehen sollte.
-
Selbstverständlich bedeutet,
wenn der Rotor während
der zweiten Zeitperiode durch eine Position hindurchgeht, die nicht
die korrekte ist, dies auch, dass ein Fehler aufgetreten ist, und
dann schaltet die Mikrosteuervorrichtung das Steuersystem 2 mittels eines
Fehlersignals ab.
-
4 stellt
ein generelles Flussdiagramm für
ein Verfahren zum Steuern und Schützen elektrischer Motoren dar,
um die vorliegende Erfindung zu veranschaulichen.
-
Wie
aus diesem Flussdiagramm ersichtlich ist, führt das System, nachdem es
den Rotor gestartet hat, den Schritt des Lesens des Positionsdetektors
durch, und wird abgeschaltet, wenn die in derselben Position verbrachte
Zeit (auch als zweite Zeitperiode bezeichnet) länger ist als die erwartete
maximale Zeit, welcher Schritt des Lesens des Positionsdetektors
kontinuierlich wiederholt wird, bis eine Änderung in der Position des
Rotors erfasst wird, vorausgesetzt, dass die in dieser Position
verbrachte Zeit nicht länger
als die erwartete maximale Zeit ist.
-
Der
nächste
Schritt, nachdem das System erfasst hat, dass die Position des Rotors
sich geändert
hat, dient zur Bewertung, ob eine korrekte Position durch den Rotor
erreicht wurde, falls nicht, wird das System abgeschaltet, und alternativ,
falls der Rotor sich an der korrekten Position befindet, betätigt dann
das System die nächste
Phase des Motors.
-
Nach
diesem Schritt berechnet das System, ob eine vollständige Umdrehung
des Rotors erreicht wurde, und, wenn dies der Fall ist, liest das
System die Rotorgeschwindigkeit und berechnet einen neuen Wert für die minimale
und die maximale Zeit, während
der eine Änderung
in der Position des Rotors stattfinden sollte. Der Zähler wird
danach zurückgesetzt.
-
Wenn
der Rotor nicht eine vollständige
Umdrehung erreicht hat, liest das System den Positionsdetektor und
schaltet das Steuersystem ab, wenn die Position des Rotors sich
geändert
hat; wenn die Position des Rotors sich nicht geändert hat, misst das System,
ob die in derselben Position verbrachte Zeit kürzer als die minimale erwartete
Zeit (auch als erste Zeitperiode bezeichnet) ist, wenn dies der
Fall ist, wiederholt das System kontinuierlich das Lesen des Positionsdetektors,
bis die in der Position verbrachte Zeit länger als die erwartete minimale
Zeit ist, oder es wird eine Änderung
der Position des Rotors erfasst.
-
Wenn
die in derselben Position verbrachte Zeit länger als die erwartete minimale
Zeit ist, kehrt das System zurück
zu dem Schritt des Lesens des Positionsdetektors, um zu überwachen,
ob der Rotor nicht eine Zeit in dieser Position verbracht hat, die länger als
die erwartete maximale Zeit (zweite Zeitperiode) ist.
-
Gemäß den spezifischen
Lehren dieser Erfindung sollte die zweite Zeitperiode eine Toleranz
für den
Augenblick, in welchem der Rotor durch eine gegebene Position hindurchgeht,
enthalten. Als ein Beispiel benötigt
der Rotor in einem Dreiphasenmotor mit zwei Polen, die sich mit
3000 U/min drehen, 20 ms, um eine Umdrehung zu beenden, und somit
sollte er 3,3 ms für
den Durchgang durch jede Position verbrauchen.
-
Um
dieser Toleranz zu entsprechen, sollte die von dem Zähler gemessene
zweite Zeitperiode einen ersten Kopfbereich von 1,65 ms (x/2) und
einen zweiten Schwanzbereich von 6,6 ms (2x) über die regulären 3,3
ms hinaus enthalten, was eine Toleranz von x – 50% und x + 100% darstellt.
-
Nachdem
ein bevorzugtes Beispiel für
die Realisierung beschrieben wurde, ist darauf hinzuweisen, dass
der Bereich der vorliegenden Erfindung andere mögliche Variationen umfasst
und nur durch den Inhalt der angefügten Ansprüche einschließlich der möglichen Äquivalente
begrenzt ist.