DE60027803T2

DE60027803T2 - Rotorpositionsdetektion in geschalteten Reluktanzmaschinen

Info

Publication number: DE60027803T2
Application number: DE60027803T
Authority: DE
Inventors: Charles Edward Brandon Harrogate Green
Original assignee: Nidec SR Drives Ltd
Current assignee: Nidec SR Drives Ltd
Priority date: 1999-01-11
Filing date: 2000-01-11
Publication date: 2006-11-30
Anticipated expiration: 2020-01-12
Also published as: JP2000224888A; EP1020985A1; KR100720323B1; US6288513B1; SG106576A1; BR0000031A; CN1207841C; JP4472083B2; CN1260631A; DE60027803D1; KR20000076452A; EP1020985B1; ATE326075T1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft die Rotorpositionserkennung in geschalteten Reluktanzmaschinen, insbesondere in solchen Maschinen, die ohne einen Sensor zum Messen der Rotorposition betrieben werden.
Eine Reluktanzmaschine ist allgemein eine elektrische Maschine, in der das Drehmoment durch die Tendenz eines beweglichen Teils erzeugt wird, sich in eine Position zu bewegen, in der die Reluktanz eines Magnetkreises minimiert wird, d.h. wo die Induktanz der Erregerwicklung maximiert wird. In einem Reluktanzmaschinentyp ist eine Schaltung zum Erkennen der Winkelposition des Rotors und zum Erregen der Phasenwicklungen in Abhängigkeit von der Rotorposition vorgesehen. Dieser Typ von Reluktanzmaschine ist allgemein als geschaltete Reluktanzmaschine bekannt. Sie kann als Motor oder Generator betrieben werden. Die Kenngrößen solcher geschalteter Reluktanzmaschinen sind hinlänglich bekannt und beispielsweise in „The characteristics, design und application of switched reluctance motors and drives" von Stephenson und Blake, PCIM 93, Nürnberg, 21.–24. Juni 1993 beschrieben, die hierin durch Bezugnahme aufgenommen ist. Dieser Artikel beschreibt die Merkmale der geschalteten Reluktanzmaschine, die zusammen die Kenngröße erzeugen, die die Induktanz der Phasenwicklungen zyklisch variiert.
1 zeigt die Hauptkomponenten eines typischen geschalteten Reluktanzantriebssystems. Die Eingangsgleichstromversorgung 11 kann entweder eine Batterie oder eine gleichgerichtete und gefilterte Wechselstromversorgung mit fester oder veränderlicher Größe sein. Die von der Stromversorgung 11 gelieferte Gleichspannung wird von einem Leistungswandler 13 von der elektronischen Steuereinheit 14 gesteuert über die Phasenwicklungen 16 des Motors 12 geschaltet. Die Schaltung muss für einen ordnungsgemäßen Betrieb des Antriebs korrekt hinsichtlich des Rotationswinkels des Rotors synchronisiert werden. Ein Rotorpositionsdetektor 15 wird gewöhnlich zum Zuführen von Signalen eingesetzt, die die Winkelposition des Rotors anzeigen. Der Ausgang des Rotorpositionsdetektors 15 kann auch zum Erzeugen eines Geschwindigkeitsrückmeldungssignals verwendet werden. Eine Stromrückmeldung erfolgt in der Steuereinheit 14 mit Hilfe eines Strommessfühlers 18, der den Strom in einer oder mehreren der Phasenwicklungen abfragt.
Der Rotorpositionsdetektor 15 kann viele Formen haben, und kann zum Beispiel die Form von Hardware aufweisen, wie sie in 1 schematisch dargestellt ist. In einigen Systemen kann der Rotorpositionsdetektor 15 einen Rotorpositionsmessfühler umfassen, der Ausgangssignale erzeugt, die ihren Zustand jedes Mal wechseln, wenn der Rotor in eine Position rotiert, in der eine andere Schaltanordnung der Bauelemente im Leistungswandler 13 benötigt wird. In anderen Systemen kann der Positionsdetektor ein Software-Algorithmus sein, der die Position anhand von anderen überwachten Parametern des Antriebssystems berechnet oder schätzt. Diese Systeme werden häufig als „sensorlose Positionsdetektorsysteme" bezeichnet, weil sie keinen physischen Messfühler in Verbindung mit dem Rotor benutzen, der die Position misst. Wie in der Technik hinlänglich bekannt ist, wurden viele verschiedene Ansätze in dem Bestreben angewandt, ein zuverlässiges sensorloses System bereitzustellen.
Die Erregung der Phasenwicklungen in einer geschalteten Reluktanzmaschine hängt von der Erkennung der Winkelposition des Rotors ab. Dies kann mit Bezug auf die 2 und 3 erläutert werden, die die Umschaltung einer als Motor betriebenen Reluktanzmaschine illustriert. 2 zeigt allgemein einen Rotor 24 mit einem Rotorpol 20, der sich, wie durch den Pfeil 22 angedeutet wird, einem Statorpol 21 eines Stators 25 nähert. Wie in 2 gezeigt wird, ist ein Teil 23 einer kompletten Phasenwicklung 16 um den Statorpol 21 gewickelt. Wenn der Teil 23 der Phasenwicklung 16 um den Statorpol 21 erregt wird, dann wird der Rotor mit einer Kraft beaufschlagt, die dazu neigt, den Rotorpol 20 in Ausrichtung mit dem Statorpol 21 zu ziehen. 3 zeigt allgemein einen typischen Schaltkreis im Leistungswandler 13, der die Erregung der Phasenwicklung 16 einschließlich des Teils 23 um den Statorpol 21 steuert. Wenn die Schalter 31 und 32 geschlossen sind, dann ist die Phasenwicklung mit der Gleichstromquelle gekoppelt und wird erregt. Es sind in der Technik viele andere Konfigurationen von Schichtgeometrie, Wicklungstopologie und Schaltkreisen bekannt: einige von diesen sind in dem oben erwähnten Artikel von Stephenson & Blake erörtert. Wenn die Phasenwicklung einer geschalteten Reluktanzmaschine in der oben beschriebenen Weise erregt wird, dann entstehen durch das Magnetfeld, das durch den Fluss in dem Magnetkreis entsteht, Umfangskräfte, die wie beschrieben die Wirkung haben, die Rotorpole in Ausrichtung mit den Statorpolen zu ziehen.
Die Phasenwicklung wird im Allgemeinen erregt, um eine Rotation des Rotors wie folgt zu bewirken. In einer ersten Winkelposition des Rotors („Einschaltwinkel" θ_ON genannt) erzeugt die Steuereinheit 14 Schaltsignale zum Einschalten beider Schaltbauelemente 31 und 32. Wenn die Schaltbauelemente 31 und 32 eingeschaltet sind, dann ist die Phasenwicklung mit der Gleichstromsammelschiene gekoppelt, so dass ein stärkerer Magnetfluss in der Maschine erzeugt wird. Der Magnetfluss erzeugt ein Magnetfeld in dem Luftspalt, das auf die Rotorpole einwirkt und das Antriebsdrehmoment erzeugt. Der Magnetfluss in der Maschine wird von der magnetomotorischen Kraft (MMK) unterstützt, die durch einen Strom entsteht, der von der Gleichstromversorgung durch die Schalter 31 und 32 und die Phasenwicklung 16 fließt. Der Strom wird im Allgemeinen zurückgemeldet und die Größe des Phasenstroms wird durch Zerhacken des Stroms reguliert, indem eines oder beide der Schaltbauelemente 31 und/oder 32 schnell ein- und ausgeschaltet wird/werden. 4(a) zeigt eine typische Stromwellenform in der Zerhackerbetriebsart, wo der Strom zwischen zwei festen Werten zerhackt wird. Beim Antriebsbetrieb wird der Einschaltwinkel θ_ON häufig so gewählt, dass er die Rotorposition ist, in der die Mittellinie eines Raums zwischen den Polen auf dem Rotor auf die Mittellinie eines Statorpols ausgerichtet ist, aber einen anderen Winkel bilden kann.
In vielen Systemen bleibt die Phasenwicklung mit der Gleichstromsammelschiene verbunden (oder wird intermittierend verbunden, wenn mit Stromzerhacken gearbeitet wird), bis der Rotor rotiert, so dass er den so genannten „Freilaufwinkel" θ_F _W erreicht. Wenn der Rotor eine Winkelposition erreicht, die dem Freilaufwinkel (z.B. die in 2 gezeigte Position) entspricht, dann wird einer der Schalter, z.B. 31, ausgeschaltet. Demzufolge fließt der Strom weiter durch die Phasenwicklung, fließt aber nur durch einen der Schalter (in diesem Beispiel 32) und nur durch eine der Dioden 33/34 (in diesem Beispiel 34). In der Freilaufperiode ist der Spannungsabfall über die Phasenwicklung gering und der Fluss bleibt im Wesentlichen konstant. Der Schaltkreis bleibt so lange in diesem Freilaufzustand, bis der Rotor in eine Winkelposition rotiert, die als „Abschaltwinkel" θ_OFF bezeichnet wird (z.B. wenn die Mittellinie des Rotorpols mit der des Statorpols fluchtet). Wenn der Rotor den Abschaltwinkel erreicht, dann werden beide Schalter 31 und 32 abgeschaltet und der Strom in der Phasenwicklung 23 beginnt, durch die Dioden 33 und 34 zu fließen. Die Dioden 33 und 34 legen dann die Gleichspannung von der Gleichstromsammelschiene in der entgegengesetzten Richtung an und bewirken eine Abnahme des Magnetflusses in der Maschine (und somit des Phasenstroms). Es ist in der Technik bekannt, andere Schaltwinkel und andere Stromsteueransätze anzuwenden.
Wenn die Drehzahl der Maschine steigt, dann bleibt weniger Zeit für den Strom, auf den Zerhackwert anzusteigen, und der Antrieb läuft normalerweise in einem „Einzelpuls"-Betriebmodus. In diesem Modus werden die Einschalt-, Freilauf- und Anschaltwinkel beispielsweise in Abhängigkeit von der Drehzahl und vom Lastdrehmoment gewählt. Einige Systeme arbeiten nicht mit einer Freilaufwinkelperiode, d.h. die Schalter 31 und 32 werden gleichzeitig ein- und ausgeschaltet. 4(b) zeigt eine typische solche Einzelpuls-Stromwellenform, bei der der Freilaufwinkel null ist. Es ist hinlänglich bekannt, dass die Werte der Einschalt-, Freilauf- und Abschaltwinkel vorbestimmt und in einem geeigneten Format für den Abruf durch das Steuersystem nach Bedarf gespeichert werden können, oder dass sie in Echtzeit errechnet oder hergeleitet werden können.
Viele sensorlose Positionserkennungssysteme wurden in „Sensorless methods for determining the rotor position of switched reluctance motors", Ray et al., Proc. EPE'93 Conference, Brighton, UK, 13.–16. Sept. 93, Bd. 6, S. 7–13, besprochen und kategorisiert. Dort kam man zu dem Schluss, dass keine der Methoden für einen Betrieb über den gesamten Betriebsbereich zufriedenstellend war. Eine der bekannten Methoden zum Arbeiten im Hochgeschwindigkeits- (d.h. Einzelpuls-) Modus ist in der EP-A-0573198 (Ray) beschrieben, die ein Verfahren zur Fluss- und Strommessung offenbart, das zu Vorhersagen der Rotorposition führt.
Ein Problem, das in den meisten sensorlosen Positionserkennungsmethoden auftritt, ist, dass die zum Vorhersagen der Rotorposition erforderlichen Berechnungen eine finite Menge Zeit brauchen. Mit den derzeit im Handel erhältlichen Mikroprozessoren und Digitalsignalprozessoren ist diese Zeit im Allgemeinen im Vergleich zu einer Phasenperiode, in der die Maschine im Stromzerhackermodus ist, kurz. Mit steigender Drehzahl der Maschine wechselt der Betriebsmodus jedoch in den Einpulsmodus, die Phasenperiode wird kürzer und die Maschine kommt schließlich bei einer Drehzahl an, bei der die Berechnungen nicht mehr rechtzeitig ausgeführt werden können, damit die Maschine weiter ordnungsgemäß arbeiten kann. Forscher haben über diese Schwierigkeit umfassend berichtet, z.B. in „A self-tuning controller for switched reluctance machines" von Russa et al., PESC98, 29th Annual IEEE Power Electronics Specialists Conference, Fukuoka, Japan, 17.–22. Mai 1998, Bd. 2, S. 1269–1275.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein zuverlässiges und wirtschaftliches sensorloses Positionserkennungsverfahren für einen geschalteten Reluktanzantrieb bereitzustellen, das bei hohen Drehzahlen ausgeführt werden kann. Die vorliegende Erfindung ist im Allgemeinen auf geschaltete Reluktanzmaschinen anwendbar, die als Motoren oder Generatoren arbeiten.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Rotorpositionserkennung für eine geschaltete Reluktanzmaschine bereitgestellt, welche einen Rotor, einen Stator und eine Vielzahl von Phasenwicklungen sowie Mittel zum Erkennen der Rotordrehzahl beinhaltet, wobei der Rotor in Bezug auf den Stator entsprechend einem zyklischen Wechsel der magnetischen Zustände jeder Phase beweglich ist, wobei das Verfahren Folgendes aufweist: Definieren einer Referenzposition des Rotors in Bezug auf den Stator in jedem zyklischen Wechsel der magnetischen Zustände; Abfragen von zumindest einer Kenngröße der Maschine zu einem geschätzten Zeitpunkt, an dem einer der Referenzpunkte erreicht wird; Herleiten einer Rotorposition von der/den abgefragten Kenngröße(n); Vorlaufenlassen des Rotors über eine nachfolgende Referenzposition hinaus, bevor ein weiteres Mal die zumindest eine Kenngröße abgefragt wird, um im weiteren Zeitverlauf eine nachfolgende Ableitung der Rotorposition zu ermöglichen.
Eine geschaltete Reluktanzmaschine arbeitet nach dem Grundsatz, dass die magnetischen Zustände der Maschine zyklisch mit der Rotorpolteilung sind. Die magnetischen Zustände können mit Bezug auf die Induktanz der Phasenwicklung oder die durch die Wicklung erzeugte Flussverkettung definiert werden.
Die Erfindung bietet die Möglichkeit, eine oder mehrere Referenzpositionen zu überspringen, so dass der Moment verzögert wird, an dem eine Rotorposition hergeleitet werden muss. Mit zunehmender Drehzahl der Maschine kann der Bereich einer bestimmten Verarbeitungsfähigkeit auch erweitert werden, weil die Zeit zum Verarbeiten von höheren Drehzahlen zur Kompensation verlängert wird. Die Erfindung ist nicht unbedingt drehzahlabhängig. Die Referenzposition kann im Rahmen der Steuerbetriebsart des Motors ohne Bezug auf die Drehzahl übersprungen werden. Die bevorzugte Ausgestaltung beinhaltet jedoch das Definieren eines Satzes von Drehzahlbereichen für den Rotor einschließlich einem tiefen Drehzahlbereich und wenigstens einem hohen Drehzahlbereich; die Bestimmung, in welchen Drehzahlbereich die Rotordrehzahl fällt; und das Vorlaufenlassen über die nachfolgende Referenzposition hinaus, wenn die Rotordrehzahl in den hohen Drehzahlbereich fällt.
Das Vorlaufenlassen erfolgt vorzugsweise über eine ganze Zahl von Referenzpositionen.
Die Drehzahlbereiche können einen ersten hohen Drehzahlbereich beinhalten, wobei der Wert des Vorlaufs der nachfolgenden Referenzposition gemäß dem ersten hohen Drehzahlbereich ein Bruchteil eines Phaseninduktanzzyklus ist. So ist beispielsweise der Bruchteil 1/n, wobei n die Anzahl der Phasen ist.
Die Drehzahlbereiche können einen zweiten hohen Drehzahlbereich beinhalten, wobei der Wert des Vorlaufs über die nachfolgende Referenzposition hinaus gemäß dem zweiten hohen Drehzahlbereich eine oder mehrere Phaseninduktanzzyklen beträgt.
Die Rotordrehzahl kann mit Bezug auf die abgefragte(n) Kenngröße(n) oder unabhängig davon hergeleitet werden.
Die Erfindung betrifft auch ein geschaltetes Reluktanzantriebssystem, das Folgendes beinhaltet: einen Stator, der eine Vielzahl von Phasenwicklungen aufweist; einen Rotor, der in Bezug auf den Stator beweglich ist; Mittel zum Ermitteln der Rotordrehzahl; und eine Steuereinheit, welche mit einer Referenzposition des Rotors in Bezug auf den Stator in jedem zyklischen Wechsel der magnetischen Zustände jeder Phase der Maschine programmiert ist, wobei die Steuereinheit Mittel zur Herleitung einer Rotorposition aus zumindest einer abgefragten Kenngröße der Maschine aufweist; und Mittel zum Abfragen der zumindest einen Kenngröße der Maschine zu einem geschätzten Zeitpunkt, an dem einer der Referenzpunkte erreicht wird, wobei die Steuereinheit ferner die Aufgabe hat, den Rotor über eine nachfolgende Referenzposition hinaus vorlaufen zu lassen, bevor die Mittel zum Abfragen danach aktiviert werden, um im weiteren Zeitablauf eine nachfolgende Ableitung der Rotorposition zu ermöglichen.
Ebenfalls gemäß der Erfindung wird ein Verfahren zum Ermitteln der Rotorposition in einer geschalteten Reluktanzmaschine bereitgestellt, die Folgendes aufweist: einen Stator, einen Rotor und eine Vielzahl von Phasenwicklungen, wenn sie in einem Einpulsmodus betrieben wird, wobei das Verfahren die folgenden Schritte beinhaltet: Definieren einer Referenzposition des Rotors in Bezug auf den Stator in jedem zyklischen Wechsel der magnetischen Zustände der Maschine; Abfragen von wenigstens einer Kenngröße der Maschine an einem geschätzten Zeitpunkt des Erreichens jedes n-ten Referenzpunktes, wobei n gleich oder größer als 2 ist; und Ableiten der Rotorposition von der/den abgefragten Kenngröße(n).
Vorzugsweise ist n eine veränderliche Zahl. Sie kann bei Bedarf je nach der Drehzahl des Rotors variieren, so dass die Wahl der Referenzposition so getroffen wird, dass Zeit für die Verarbeitung von Daten entsprechend der Drehzahl des Rotors bleibt.
Die Erfindung kann in einer Vielzahl verschiedener Weisen umgesetzt werden, von denen einige nachfolgend beispielhaft mit Bezug auf die Begleitzeichnungen beschrieben werden. Dabei zeigt:
1 die Hauptkomponenten eines geschalteten Reluktanzantriebssystems;
2 ein schematisches Diagramm eines Rotorpols, der sich einem Statorpol nähert;
3 einen typischen Schaltkreis in einem Stromrichter, der die Erregung der Phasenwicklungen der Maschine von 1 steuert;
4(a) und 4(b) typische Stromwellenformen eines geschalteten Reluktanzantriebs, der jeweils im Stromzerhacker- und im Einpulsmodus arbeiten;
5 die idealisierten Induktanzprofile und möglichen Referenzwinkelpositionen für eine Maschine, die gemäß der Erfindung im Einpulsmodus betrieben wird;
6 ein schematisches Blockdiagramm eines geschalteten die Erfindung verwirklichenden Reluktanzantriebs und
7 ein Fließschema, das die Steuerung einer Maschine beschreibt, die über einen breiten Bereich von Drehzahlen im Einpulsmodus gemäß der Erfindung arbeitet.
6 illustriert einen schematischen Schaltplan eines geschalteten Reluktanzantriebssystems, in dem die Erfindung verwirklicht ist. Der Schaltkreis basiert auf dem in 1 und es wurden möglichst gleiche Bezugsziffern verwendet. Auf eine weitere Beschreibung der gemeinsamen Komponenten wird hier verzichtet, aber es sei angemerkt, dass die Rotorpositionserkennung vom sensorlosen Typ ist, da dem Schaltkreis der Rotorpositionsmessfühler 15 von 1 fehlt.
Die Steuereinheit 14' enthält eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC) 40, die einen Mikroprozessor aufweist, der wirkend mit einer Nachschlagetabelle 42 und einem A/D-Wandler 44 verbunden ist. Der A/D-Wandler multiplexiert Signale, die vom Strommessfühler 18 und einer Spannungserfassungsvorrichtung 46 empfangen wurden, die angeordnet ist, um die Spannung über eine der Phasenwicklungen 16 zu überwachen. Es ist erkennbar, dass auch ein separater A/D-Wandler für jede Phase zum Bearbeiten dieser Eingänge verwendet werden könnte.
In dieser Ausgestaltung beinhaltet das erfindungsgemäße Verfahren eine Technik für einen sensorlosen Betrieb von geschalteten Reluktanzmaschinen, zum Beispiel der von Ray in der EP-A-0573198 beschriebene Einpulsmodus. Die Messmethoden, die für Flussverkettung und Strom gemäß der Beschreibung in dieser Offenbarung angewendet werden, sind geeignet, obwohl stattdessen auch beliebige andere geeignete Verfahren zur Anwendung kommen könnten – so könnte der Strom beispielsweise mit nicht isolierten Mitteln gemessen werden, wie sie üblicherweise für kostenarme Antriebssysteme zum Einsatz kommen, oder die Flussverkettungsmessung könnte mit einer anderen analytischen oder rechnerischen Technik erzielt werden. Es ist erkennbar, dass die Erfindung gleichermaßen auf andere sensorlose Techniken als die von Ray beschriebenen anwendbar ist. Die Erfindung ermöglicht die Regulierung höherer Drehzahlen mit einer gegebenen sensorlosen Technik, bei der die Drehzahlbegrenzung ansonsten anhand der Geschwindigkeit der Verarbeitung von Daten in der Steuereinheit bestimmt würde.
Im Einpulsmodus werden Daten gewöhnlich einmal im Induktanzzyklus jeder Phase erfasst, da die Phaseninduktanzzyklen einander in einer Mehrphasen-Maschine überlappen. Somit wird jede Phase für einen bestimmten Induktanzzyklus nacheinander abgefragt. Ein Winkelbezugspunkt wird vorbestimmt und der Strom und die Flussverkettung werden gemessen, wenn erwartet wird, dass sich der Rotor in dieser Position befindet wird. Jeder Fehler zwischen der gemessenen und der erwarteten Flussverkettung wird zum Herleiten eines Positionsfehlers und somit einer revidierten Positionsschätzung verwendet. Die Positionsschätzung kann als Basis für eine Berechnung der Drehzahl und/oder der Beschleunigung verwendet werden. Die Anordnung ist schematisch in 5 dargestellt, bei der LA, LB und LC die idealisierten Induktanzprofile einer Drehstrommaschine und Ref A, Ref B und Ref C die Referenzwinkel für die drei Phasen für einen Antriebsbetrieb bedeuten. Motor- und Generatorbetrieb können durch Nutzen der Symmetrie der magnetischen Kenngrößen der Maschine berücksichtigt werden, so dass nur Daten gespeichert zu werden brauchen, die der Hälfte des Induktanzprofils entsprechen. Alternativ können Daten ausdrücklich für beide Betriebsarten gespeichert werden.
Die Einpulsmethode wird ausführlicher mit Bezug auf 7 erläutert, die ein Fließschema der Schritte zeigt, die in einer mikroprozessorgestützten Implementation des Verfahrens ausgeführt werden. Diese besondere Implementation arbeitet mit einem kostenarmen Mikroprozessor, aber die Fachperson wird erkennen, dass das Verfahren auch mit etwas anderen Schritten unter Erzielung desselben Effekts ausgeführt werden könnte, oder dass es auch mit anderen Steuergeräten wie beispielsweise mit digitalen Signalprozessoren usw. ausgeführt werden könnte. Ferner könnte auch eine äquivalente analoge Schaltung zum Ausführen des Verfahrens zum Einsatz kommen. Schritt 51 zeigt, dass das Steuersystem auf den Eingang eines Unterbrechungssignals wartet, das anzeigt, dass erwartet wird, dass der Rotor an einem vorbestimmten Referenzwinkel ist. In Schritt 52 werden Flussverkettung und Strom in dem Moment abgefragt, an dem angenommen wird, dass sich der Rotor am Referenzwinkel befindet, und diese Werte werden für die Verwendung in den nachfolgenden Berechnungen gespeichert. Die Flussverkettung ψ_m kann praktischerweise durch Integrieren der auf die Phasenwicklung angewandten elektromotorischen Kraft geschätzt werden: ψm = ∫(V – iR) (1) wobei V die Speisespannung minus eventuelle Geräteabfälle, i der momentane Phasenstrom und R der Phasenwiderstand sind. Alternativ kann sie durch Integrieren der Gleichstromverkettungsspannung und Anwenden der Kenntnis von Schaltzuständen zum Steuern des Integrators geschätzt werden. Strom kann mit einem isolierten Strommessfühler eines bekannten Typs oder durch Messen eines Spannungsabfalls über eine Komponente (z.B. Widerstand, Schaltvorrichtung usw.) im Schaltkreis gemessen werden. Der Wert wird vom A/D-Wandler 44 in digitale Werte umgewandelt und in Registern gespeichert.
In Schritt 53 wird der gemessene Stromwert zum Ermitteln des erwarteten Wertes der Flussverbindung ψ_ref und des Winkelgradienten mit Flussverkettung dθ/dψ am Referenzwinkel verwendet. Die geeigneten Werte werden in einer oder in mehreren Nachschlagetabellen geführt und auf konventionelle Weise abgelesen. In Schritt 54 wird der Winkelfehler Δθ zwischen dem Winkel zum Zeitpunkt der Ablesungen und der Referenzposition berechnet: Δθ = dθ/dψ (ψm – ψref) (2)
Dieser Winkelfehler kann dann in Schritt 55 zum Berechnen des wahren Wertes des Rotorwinkels verwendet werden: θ = θref ± Δθ (3)wobei das positive Vorzeichen für den Motorbetrieb und das negative Vorzeichen für den Generatorbetrieb genommen wird.
Sensorlose Positionserkennungssysteme müssen im Allgemeinen in elektrisch geräuschvollen Umgebungen in der Nähe von Leistungsschaltgeräten arbeiten, und dies führt häufig zu Verfälschungen der Messwerte von Flussverkettung und Strom, so dass gestörte Positionsdaten errechnet werden. Um die Robustheit des Systems zu verbessern, wurde ein Verfahren zum Prüfen der Validität der berechneten Positionsdaten entwickelt. Diese Technik wird in Schritt 56 ausgeführt. Jedes Mal, wenn eine neue Position berechnet wird, können die Werte von Position, Zeit und Drehzahl gespeichert werden. Anhand der letzten n gespeicherten Werte kann eine vorhergesagte Position für einen Vergleich mit der neu berechneten extrapoliert werden. Wenn die neu berechneten und vorhergesagten Werte nicht innerhalb eines vorbestimmten Betrags übereinstimmen, dann wird eine Fehlerzahl inkrementiert und der Vorhersagewert wird anstelle des berechneten verwendet; stimmen sie überein, dann wird eine eventuell existierende Fehlerzahl dekrementiert und der berechnete Wert wird verwendet. So entsteht im Laufe von aufeinander folgenden Messzyklen ein Bild der Zuverlässigkeit der Positionsdaten. Wenn die Fehlerzahl einen bestimmten Wert überschreitet, der beispielsweise fünf aufeinander folgende, nicht übereinstimmende Berechnungen repräsentiert, dann kann das Steuersystem entscheiden, dass der Synchronismus mit der echten Position des Rotors verloren gegangen ist, und kann die Erregung der Maschine abschalten, bevor es zu einem ernsthafteren Ereignis kommt. Speicherung und Extrapolation der Werte kann mit beliebigen praktischen Mitteln erfolgen, erfolgen aber typischerweise durch digitale Speicherung an Speicherpositionen. Es wurde gefunden, dass eine Verwendung von n = 8 einen guten Kompromiss zwischen Systemstabilität und Speicheranforderungen ergibt. In einer alternativen Implementation werden acht gespeicherte Werte für Position und vierundsechzig für Drehzahl verwendet.
In Schritt 57 wird die nächste Referenzposition, d.h. die Position auf einer Phase ermittelt, an der der nächste Satz von Messungen stattfindet. Gemäß dem Stand der Technik würde dann in Schritt 58, nachdem die Winkelposition des Rotors mit einer akzeptablen Genauigkeit ermittelt wurde, und mit der Kenntnis der Historie von Zeiten, Positionen und Drehzahl, die Zeit berechnet, in welcher die nächste Referenzposition in der nächsten Phase erreicht würde. Diese Zeit wird gespeichert und die Steuereinheit geht zurück zu Schritt 51 und wartet, bis die gespeicherte Zeit verstrichen ist und die Messungen an der nächsten Referenzposition genommen werden.
Man stellt fest, dass mit dieser Routine des Standes der Technik aufeinander folgende Messungen an benachbarten Referenzpunkten genommen wurden. Wenn beispielsweise, wie in 5 gezeigt wird, die Messungen gerade an Phase A am Rotorwinkel Ref A beendet wurden, dann wird in 7 in Schritt 57 Ref B als die nächste Referenzposition eingestellt. Man wird erkennen, dass die Flussverkettungs- und Strommessungen ausreichend nahe am Referenzwinkel genommen werden müssen, damit der Positionsfehler gering ist, da das System sonst instabil wird und die Kontrolle verliert.
Da die Berechnungen eine finite Zeit benötigen, ist die Betriebsgeschwindigkeit bei diesem Verfahren eindeutig begrenzt. So gibt es beispielsweise für eine Drehstrommaschine mit 12 Statorpolen und 8 Rotorpolen 8 Phaseninduktanzperioden in einer Umdrehung des Rotors. Mit Hilfe eines typischen kostenarmen Mikroprozessors, der beispielsweise in einem Haushaltsgerät oder in einem Kraftfahrzeug angewendet würde, würde die Zykluszeit für die Berechnungen etwa 0,3 ms betragen, was einer Zykluszeit von 0,9 ms pro Phase entsprechen würde. Bei einer Drehzahl von 4000 UpM würde die Phaseninduktanzperiode innerhalb von 1,88 ms durchlaufen. Um einen stabilen Betrieb zu gewährleisten, wird eine erhebliche Differenz zwischen diesen beiden Zykluszeiten benötigt: typischerweise würde eine Drehzahlbegrenzung zwischen 3000 und 3500 UpM auferlegt, um eine Fehlfunktion zu verhüten. Dies wurde früher als die Betriebsgrenze für ein solches sensorloses Positionserkennungssystem erachtet. Es ist zwar möglich, die Drehzahlgrenze für Maschinen anzuheben, die weniger Rotorpole (und somit längere Phaseninduktanzperioden) haben, aber diese Lösung steht möglicherweise nicht zur Verfügung, weil andere Teile der Maschinenspezifikation die höhere Anzahl von Polen benötigen. Eine weitere Lösung wäre die Verwendung eines schnelleren Prozessors, aber dadurch würden die Kosten für die Steuereinheit hoch getrieben.
Die Erfindung erlaubt einen Betrieb mit höheren Drehzahlen unabhängig von der Anzahl der Pole am Rotor. Nach Beendigung von Schritt 57 wird in Schritt 59 die Drehzahl geprüft, um zu sehen, in welchen der mehreren vorbestimmten Bereiche sie fällt. Dies erfolgt im Prozessor durch Vergleichen des in Schritt 56 ermittelten Drehzahlwertes mit verschiedenen geeigneten Drehzahlbereichen. In diesem Beispiel hat die Maschine 3 Phasen und der Rotor hat 8 Pole und es werden drei Drehzahlbereiche gewählt. Diese Bereiche könnten < 3500 UpM, 3500 bis 7000 UpM und > 7000 UpM sein. Für andere Maschinen mit anderen Phasen- und Polzahlen könnten andere Bereiche gewählt werden. Es gibt keine theoretische Grenze für die Zahl der unterschiedlichen Bereiche, die integriert werden können. Man könnte es auch als geeignet ansehen, einen Hystereseeffekt in Schritt 59 zu integrieren, so dass sich die Bereiche tatsächlich überlappen würden, um eventuelle Drehzahlfluktuationen um die Grenzen zwischen den Drehzahlbereichen herum zu bewältigen.
Wenn in Schritt 59 festgestellt wurde, dass die Drehzahl in Bereich 1 fällt, dann geht die Steuerung direkt zu Schritt 58 wie zuvor, so dass die nächste Referenzposition nach Ref A Ref B ist usw. Wenn festgestellt wird, dass die Drehzahl in den nächsthöheren Bereich fällt, dann geht die Steuerung zu Schritt 60, wo ein Drittel eines Zyklus zur Referenzposition addiert wird. Anhand von 5 ist ersichtlich, dass dadurch die neue Referenzposition zu Referenzposition Ref C in Phase C weitergeht. Dadurch wird die Zeit, die für die Berechnungen für die neue Position zur Verfügung steht, effektiv verdoppelt, und die Drehzahlbegrenzung für eine bestimmte Verarbeitungsdrehzahl wird verdoppelt. An dem zusätzlichen Drittel eines zu jeder Referenzposition addierten Phasenwinkels wird ersichtlich, dass sich bei aufeinander folgenden Zyklen die Referenzpositionen dann in Phase A, Phase C, Phase B, Phase A ... befinden, d.h. in jeder zweiten Phase, während die Maschinendrehzahl in Bereich 2 bleibt. Während alle anderen Phasen zur Abfrage verwendet werden, unterscheiden sich Sequenz und Häufigkeit der Abfrage von der Sequenz und der Häufigkeit der Erregung der Phasen.
Wenn die Drehzahl noch höher ist und als in Bereich 3 fallend festgestellt wird, dann wird Schritt 61 ausgeführt und die Referenzposition wird um einen vollständigen Zyklus erhöht, d.h. auf Ref B₂ in 5 anstatt Ref B. Dies hat den Effekt des Bewegens zu einem Referenzpunkt, der das Vierfache des durchlaufenen Rotorwinkels und somit der Berechnungszeit zulässt. Dadurch wird die Drehzahlgrenze um einen Faktor vier erhöht. In dieser Betriebsart ist die Sequenz der Referenzpunkte Phase A, Phase B, Phase C ..., aber die Häufigkeit beträgt ein Viertel der ursprünglichen Häufigkeit. Alle Phasen werden jedoch zur Abfrage in der Reihenfolge der Phasenerregung benutzt.
Man wird erkennen, dass in den Schritten 60 und 61 auch andere Beträge zum Referenzpunkt addiert werden könnten. Der Betrag hängt von den Kenngrößendaten für die fragliche Maschine ab, wie nachfolgend beschrieben wird.
Wenn sich die in der Nachschlagetabelle 42 gespeicherten Kenngrößendaten auf die in der Maschine erwarteten Durchschnittswerte beziehen, dann ist es sinnvoll, jede Phase nacheinander abzufragen. So kann beispielsweise beim Addieren von zwei vollständigen Zyklen ein Faktor von 7 auf die Drehzahlbegrenzung angewendet werden. Die bevorzugte Ausgestaltung besteht jedoch darin, entweder 1/n Zyklus für eine n-Phasen-Maschine (wobei n eine positive ganze Zahl ungleich null ist) oder ganze Zyklen zu addieren, da dies Additionen sind, die dazu führen, dass alle Phasen nacheinander zur Abfrage verwendet werden, wodurch die Effekte von Parametervariationen zwischen den Phasen ausgeglichen werden, so dass eine zuverlässige Positionsanzeige erhalten wird.
Wenn sich die gespeicherten Kenngrößendaten nur auf eine bestimmte Phase der Maschine beziehen, dann ist es sinnvoll, nur diese Phase abzufragen. In diesem Fall würden nur ganze Zyklen zum Referenzpunkt addiert.
Allgemein ausgedrückt, lautet die Gleichung für die Anzahl der übersprungenen Referenzpositionen P wie folgt: P = Cn + mwobei n die Anzahl der Phasen in der Maschine ist,
m eine positive Zahl kleiner als n ist,
C eine ganze Zahl ≥ 0 ist, die ganze Induktanzzyklen repräsentiert.
Zum Beispiel:
m = 1 C = 0 n = 3 Überspringt 1 Position z.B. A bis C
m = 2 C = 0 n = 3 Überspringt 2 Positionen z.B. A bis A
m = 0 C = 1 n = 3 Überspringt 3 Positionen z.B. A bis B₂
Somit ist klar, dass die Erfindung im Allgemeinen über einen breiten Bereich von Steuerbetriebsarten und Phasenzahlen anwendbar ist.
Die obigen Ausgestaltungen der Erfindung arbeiten mit einer festen Referenzposition in jedem Phasenleitungszyklus, so dass die Ermittlung der Rotorposition mit Bezug auf dieselbe Winkelreferenz erfolgt, aber nicht unbedingt in einer benachbarten Phase. Es ist jedoch möglich, mehr als eine Referenzposition in derselben Phase herzuleiten, so dass eine besser abgestufte Referenzposition gewählt werden kann, an der die Rotorposition bestimmt wird.
Man wird verstehen, dass die obigen Beispiele zwar mit Bezug auf eine Drehstrommaschine beschrieben wurden, dass die Erfindung aber auf jede mehrphasige geschaltete Reluktanzmaschine mit jeder beliebigen Zahl von Polen anwendbar ist. Ebenso könnte die Erfindung auf eine Linearmaschine angewendet werden, bei der sich der bewegliche Teil (häufig als „Rotor" bezeichnet) linear bewegt. Somit wird die Fachperson erkennen, dass Variationen der offenbarten Anordnungen möglich sind, ohne von der Erfindung abzuweichen. Demgemäß wurde die obige Beschreibung mehrerer Ausgestaltungen lediglich beispielhaft gegeben und soll die Erfindung nicht begrenzen. Die vorliegende Erfindung wird nur durch den Umfang der nachfolgenden Patentansprüche begrenzt.

Claims

Verfahren zur Rotorpositionserkennung für eine geschaltete Reluktanzmaschine (12) welche einen Rotor, einen Stator und eine Vielzahl von Phasenwicklungen (16) beinhaltet, wobei der Rotor im Bezug auf den Stator entsprechend eines zyklischen Wechsels der magnetischen Zustände jeder Phase beweglich ist, welches aufweist: definierte Referenzposition (Ref A, Ref B, Ref C) des Rotors im Bezug auf den Stator in jedem zyklischen Wechsel der magnetischen Zustände; Abfragen von zumindest einer Kenngröße der Maschine zu dem geschätzten Zeitpunkt, an dem einer der Referenzpunkte erreicht wird; Herleiten einer Rotorposition von der (den) abgefragten Kenngröße(n); Vorlauf des Rotors über eine nachfolgende Referenzposition hinaus, bevor ein weiteres Mal die zumindest eine Kenngröße abgefragt wird um im weiteren Zeitablauf eine nachfolgende Ableitung der Rotorposition zu ermöglichen.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem der Vorlauf des Motors eine ganzzahlige Anzahl an Referenzpositionen beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, welches beinhaltet: Bestimmen einer Reihe von Geschwindigkeitsbereichen für den Rotor, welche einen Bereich für niedrige Geschwindigkeit und zumindest einen ersten Hochgeschwindigkeitsbereich beinhaltet; Bestimmung, in welchen der Geschwindigkeitsbereiche die Rotorgeschwindigkeit fällt; und Vorlauf des Rotors über die nachfolgende Referenzposition hinaus, falls die Rotorgeschwindigkeit außerhalb des Niedergeschwindigkeitsbereichs fällt.
Verfahren nach Anspruch 3, bei welchem der Wert des Vorlaufs über die nachfolgende Referenzposition hinaus einen Bruchteil eines Phaseninduktionszyklus beträgt.
Verfahren nach Anspruch 4, bei welchem der Bruchteil gleich m/n ist, wobei n die Anzahl der Phasen und m eine Ganzzahl kleiner als n ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3, 4 oder 5, bei welchem die Reihe von Geschwindigkeitsbereichen einen zweiten Hochgeschwindigkeitsbereich beinhaltet, und der Wert des Vorlaufs über die nachfolgende Referenzposition hinaus eine oder mehrere Phaseninduktionszyklen beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, bei welchem die abgefragten Kenngrößen benutzt werden um Signale herzuleiten, welche für Phasenstrom und Flussverkettung in einer entsprechenden Phasenwicklung indikativ sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die abgefragten Kenngrößen der Phasenstrom und die über die entsprechende Wicklung angelegte Spannung sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welches die Ermittlung der Rotorgeschwindigkeit aus den abgefragten Kenngrößen beinhaltet.
Geschaltetes Reluktanzantriebs-System, welches beinhaltet: einen Stator, welcher eine Vielzahl von Phasenwicklungen (16) aufweist; einen Rotor, welcher im Bezug auf den Stator beweglich ist; und eine Steuereinheit (14), welche mit einer Referenzposition (Ref A, Ref B, Ref C) des Rotors im Bezug auf den Stator in jedem zyklischen Wechsel der magnetischen Zustände jeder Phase der Maschine programmiert ist, welche Steuereinheit Mittel (40, 42) zur Ermittlung einer Rotorposition aus zumindest einer abgefragten Kenngröße der Maschine aufweist; und Mittel (18,46) zum Abfragen von zumindest einer Kenngröße der Maschine zu einem geschätzten Zeitpunkt, an dem einer der Referenzpunkte erreicht wird aufweist, wobei die Steuereinheit weiters betriebsfähig ist, um den Rotor über die nachfolgende Referenzposition hinaus vorlaufen zu lassen, bevor die Mittel zum Abfragen danach aktiviert werden um im weiteren Zeitablauf eine nachfolgende Ableitung der Rotorposition zu ermöglichen.
System nach Anspruch 10, welches Mittel aufweist, um zu Bestimmen, in welche eines Niedergeschwindigkeitsbereichs und zumindest eines ersten Hochgeschwindigkeitsbereichs die Rotorgeschwindigkeit fällt, wobei die Steuereinheit betriebsfähig ist, um den Rotor über die nachfolgende Referenzposition hinaus vorlaufen zu lassen, falls die Rotorgeschwindigkeit außerhalb des Niedergeschwindigkeitsbereichs fällt.
System nach Anspruch 11, bei welchem die Bestimmungsmittel betriebsfähig sind, um die ermittelte Rotorgeschwindigkeit dem ersten Hochgeschwindigkeitsbereich zuzuordnen, wobei die Steuereinheit betriebsfähig ist, um den Rotor um einen Bruchteil des Phaseninduktionszyklus über die nachfolgende Referenzposition hinaus vorlaufen zu lassen.
System nach Anspruch 12, bei welchem der Bruchteil gleich m/n ist, wobei n die Anzahl der Phasen und m eine Ganzzahl kleiner als n ist.
System nach Anspruch 11, 12, oder 13 bei welchem die Bestimmungsmittel betriebsfähig sind, um die ermittelte Rotorgeschwindigkeit dem zweiten Hochgeschwindigkeitsbereich zuzuordnen, wobei die Steuereinheit betriebsfähig ist, um den Rotor um eine oder mehrere Phaseninduktionszyklen über die nachfolgende Referenzposition hinaus vorlaufen zu lassen.
System nach einem der Ansprüche 10 bis 14, welches Mittel zur Ermittlung der Rotorgeschwindigkeit aus den abgefragten Kenngrößen aufweist.