DE60104310T2

DE60104310T2 - Verfahren zur bestimmung der rotorposition eines kollektorlosen elektromagnetischen motors und vorrichtung zur durchführung eines solchen verfahrens

Info

Publication number: DE60104310T2
Application number: DE60104310T
Authority: DE
Inventors: Frederic Bonvin; Laurent Cardoletti; Yves Perriard
Original assignee: Ecole Polytechnique Federale de Lausanne EPFL
Current assignee: Ecole Polytechnique Federale de Lausanne EPFL
Priority date: 2000-05-31
Filing date: 2001-05-23
Publication date: 2005-08-25
Anticipated expiration: 2021-05-24
Also published as: DE60104310D1; EP1285490B1; EP1285490A1; WO2001093414A1; ATE271275T1; EP1160966A1; ES2225537T3

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft elektromagnetische Motoren ohne Schaltkollektor von der Art, die einen Stator, der von einem Belag aus weichmagnetischem Material und mehreren Wicklungen gebildet wird, die in der Nähe des Belags angeordnet und je mit zwei Klemmen versehen sind, und einen Rotor aufweist, der einen eine Magnetachse definierenden Magnet aufweist und vor dem Stator angeordnet ist, gespeist durch das Anlegen einer elektrischen Spannung an die Klemmen der Wicklungen.
In der vorliegenden Anmeldung müssen mehrere Begriffe hinsichtlich ihrer Bedeutung präzisiert werden. Der Begriff Magnet deckt daher sowohl die Dauermagnete als auch Elektromagnete. Als weichmagnetisches Material muss jeder Werkstoff betrachtet werden, der ein gutes Leiten eines von einem Magnet erzeugten Magnetstroms sicherstellt. Das Wort „Ladung" bezeichnet den Wert der Integralen eines elektrischen Stroms zwischen zwei gegebenen Augenblicken.
Die Erfindung betrifft insbesondere ein Verfahren zur Bestimmung der Winkelposition des Rotors eines Motors ohne Schaltkollektor. In der folgenden Beschreibung wird dieser Winkel auch „Winkel des Rotors" genannt, es werden jedoch mit der gleichen Bedeutung auch die Ausdrücke „Winkelposition" und „Position" des Rotors verwendet.
Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zum Anwenden dieses Verfahrens.
Es ist oft erforderlich, die Position eines Rotors zu kennen, insbesondere im Augenblick des Startens des Motors, damit die Steuerschaltung den Rotor in die gewünschte Richtung und mit dem optimalen Moment in Bewegung setzen kann.
Zahlreiche Lösungen wurden bereits vorgeschlagen. Es gibt zuerst die, die Sensoren verwenden, die mit der Drehachse des Motors zusammenwirken, wie zum Beispiel photoelektrische Zellen oder Elemente mit Hall-Effekt. Ein Motor, der Photodioden verwendet, wurde zum Beispiel detailliert in der Patentschrift CH 670 341 beschrieben. Wenn das angestrebte Ziel auch auf diese Art erreicht werden kann, geschieht das dennoch nicht ohne bestimmte Nachteile. Die Sensoren brauchen nämlich Platz, benötigen Anschlüsse, verteuern das Produkt und, Vibrationen und der hohen Temperatur des Motors ausgesetzt, können sie die Zuverlässigkeit des Systems verringern. Um ferner eine gute Winkelauflösung zu haben, muss die Anzahl der Sensoren sehr groß sein. Typisch kann mit nur drei Sensoren die Winkelposition nicht auf besser als auf ±30 Grad bestimmt werden.
Aus diesen Gründen wurden verschiedene Ausführungen ohne Sensoren vorgeschlagen. Sie nutzen die Tatsache, dass die lokalen magnetischen Eigenschaften des Stators abhängig von der Position des Rotors und den Strömen variieren, die in den Wicklungen des Induktors laufen. Das magnetische Induktionsfeld, das von dem Magnet des Rotors geschaffen wird, und das, das von den Strömen in den Wicklungen erzeugt wird, widersetzen sich einander nämlich an bestimmten Stellen des Stators, summieren sich jedoch an anderen, wo sie daher eine lokale Sättigung des Werkstoffs verursachen.
Wenn der Rotor verstellt wird oder die Ströme in ihrer Stärke oder in ihrer Richtung modifiziert werden, gilt das Gleiche für die gesättigten Zonen. Die Variation in Abhängigkeit von der Zeit des Stroms, der in einer Wicklung als Reaktion auf eine Spannung mit einer gegebenen Amplitude und Vorspannung, die an ihre Klemmen angelegt wird, läuft, hängt von der Selbstinduktion dieser Wicklung ab und daher vom magnetischen Zustand des Werkstoffs, der von den Linien des von diesem Strom geschaffenen Magnetfelds durchquert wird. Da der magnetische Zustand des Werkstoffs aber auch von der Position des Rotors abhängt, ist die Variation des Stroms mit der Zeit schließlich bei identischen Erregungsbedingungen der Wicklung für den Winkel des Rotors repräsentativ.
Die Patentschrift US 5 117 165 (Cassat) beschreibt einen Motor, bei dem dieses Konzept angewandt wird. Der Stator umfasst eine Drehstromwicklung in Sternschaltung, und der Rotor, der als im Ruhezustand angenommen wird, besteht aus einem Magnet.
Eine Spannung mit gegebener Amplitude und Vorspannung wird an die Klemmen einer der Wicklungen angelegt und der Wert I₁ des Stroms, der sich daraus nach einer bestimmten Zeitspanne ergibt, wird gemessen und gespeichert. Dieser Strom ist, wie eben erklärt wurde, für die Position des Rotors repräsentativ. In diesem Dokument wird jedoch gezeigt, dass die Beziehung zwischen dem Strom und dem Winkel nicht eindeutig ist. Bei einem solchen Motor kann ein gleicher Strom nämlich mehr als einer Position des Rotors entsprechen. Um die Zweideutigkeit zu eliminieren, wird eine andere Spannung mit gleicher Amplitude jedoch entgegengesetzter Vorspannung an die gleichen Klemmen angelegt, und der Strom I₂, der sich daraus ergibt, wird nach der gleichen Zeitspanne gemessen und dann gespeichert.
Das Vorzeichen von I₁–I₂ erlaubt es daher zu bestimmen, ob der Winkel des Rotors zum Beispiel zwischen 0 und 180 Grad oder zwischen 180 und 360 Grad liegt. Mit anderen Worten erlaubt es das Vorzeichen von I₁–I₂ zu bestimmen, ob der Winkel des Rotors 90 oder 270 Grad beträgt, und zwar jedes Mal mit einer Ungewissheit von ±90 Grad.
Durch das Anwenden eben dieser Vorgehensweise an die anderen Wicklungen kann die Position des Rotors schließlich mit einer Fehlermarge von ±30 Grad um die Winkel 0, 60, 120, 180, 240 und 300 Grad lokalisiert werden.
Die Messung des Winkels erlaubt es danach, sich zu vergewissern, dass der Rotor gedreht hat, indem man prüft, ob sich die gemessenen Ströme geändert haben. Schließlich wird die von dem Rotor induzierte Spannung, die für seinen Winkel und seine Drehzahl repräsentativ ist, in der Amplitude ausreichend groß, um das Steuern in Phase des induzierenden Felds an der Position des Rotors in bekannter Art zu erlauben.
Eine Variante der oben stehenden Lösung ist in der Patentschrift EP 462 729 beschrieben, die der Patentschrift US 5 028 852 (Dunfield) entspricht, in der es nicht die Ströme sind, die nach einer gegebenen Zeit gemessen werden, sondern die Zeiten T₁ und T₂, die erforderlich sind, damit der Strom einen vorbestimmten Wert erreicht. Das Vorzeichen von T₁–T₂ erlaubt es daher, die Rotorposition mit der gleichen Präzision wie in dem vorliegenden Fall zu finden.
Die eine und die andere der weiter oben erwähnten Lösungen erlaubt es, die Position des Rotors in der Ruhestellung zu bestimmen. Da die Struktur des Stators im Allgemeinen ein Positionierungsmoment erzeugt, belegt der Motor in der Ruhestellung gut definierte Positionen. Daher ist die Position in der Tat mit einer Präzision in der Größenordnung von der Hälfte des vom Rotor während der Motorphase durchlaufenen Winkels auf einige Grad genau bekannt.
Bei bestimmten Anwendungen, zum Beispiel wenn der Rotor mit geringer Drehzahl drehen muss, oder bei Motoren, deren Stator kein Positionierungsmoment definiert, ist es wünschenswert, ja sogar erforderlich, die Position des Rotors mit Präzision zu bestimmen, um Antriebsimpulse anzulegen, die ein maximales Moment für einen gegebenen Strom erzeugen.
Eine Lösung für dieses Problem ist in einem Artikel mit dem Titel „Sensorless Control of Permanent-Magnet Synchronous Machines at Arbitrary Operating Points Using Modified Inform Flux Model" von Schrodl M. und veröffentlicht in European Transactions on Electrical Power Engineering, Band Nr. 3, Nr. 4, 1993, Berlin, sowie in der Patentschrift AT 397 440 beschrieben.
Das beschriebene Verfahren besteht darin, die angelegte Spannung mittels eines Signals mit schwacher Amplitude zu modulieren und die Variation der Induktanz zwischen den Momenten, in welchen das Messsignal sich summiert und in welchen es sich vom Speisungssignal subtrahiert zu bestimmen und dann die Position des Rotors zu berechnen.
Eine solche Lösung erfordert eine Steuerschaltung, die es erlaubt, das Speisesignal ungeachtet seiner Phase zu modulieren und benötigt umfangreiche Rechenmittel. Die vorliegende Erfindung hat zum Ziel, eine genaue Bestimmung der Position des Rotors zu erlauben, die eine einfache und kostengünstige Steuerelektronik benötigt.
Erfindungsgemäß umfasst das Verfahren die folgenden Schritte:

– bei unterbrochener Speisung, Anlegen eines Paars von aufeinander folgenden Impulsen mit umgekehrter Vorspannung an die Klemmen einer ersten und dann einer zweiten Wicklung, wobei die Impulse durch eine Dauer, eine Stärke, eine Ladung und eine Steilheit bestimmt werden, wobei einer dieser Parameter einen vorbestimmten Wert hat, und die anderen einen Wert haben, der von der Zeit und von der Position des Rotors abhängt,
– für jeden Impuls, Bestimmen eines Signals eines ersten Typs, das für einen der Parameter repräsentativ ist, dessen Wert nicht vordefiniert ist,
– Definieren von zwei Signalen eines zweiten Typs, die je für den Wert der Differenz zwischen den Signalen des ersten Typs entsprechend jeder Wicklung repräsentativ sind,
– ausgehend von ursprünglich gespeicherten Informationen, Erstellen einer Korrelation mit den Werten der Signale des zweiten Typs, um die möglichen Winkelpositionen des Rotors zu bestimmen, und
– Auswahl der wahrscheinlichsten dieser Winkelpositionen.

Es ist gewiss durch das Dokument US 4 772 839 (MacMinn) bekannt, die gemessenen Werte mit den gespeicherten Informationen zu vergleichen, um die Winkelposition eines Rotors zu bestimmen. Die beschriebene Vorrichtung betrifft einen Reluktanzmotor, bei dem die letzte bekannte Position gespeichert wird, wobei die neue Position durch Interpolation erzielt wird. Eine derartige Lösung bedingt einen Lebendspeicher, was hinsichtlich der Energie kostspielig ist und nicht vernachlässigbare Kosten darstellt.
Die Praxis hat gezeigt, dass die einfachste Lösung darin besteht, die Zeit als vorbestimmten Parameter auszuwählen, während das Signal für die Stromstärke repräsentativ ist.
Die vorliegende Erfindung betrifft daher auch eine Vorrichtung zum Messen der Position des Rotors eines wie oben definierten Motors. Erfindungsgemäß umfasst diese Vorrichtung:

– einen Impulsgenerator, der Mittel aufweist, um an die Klemmen einer ersten und dann einer zweiten Wicklung ein Paar von aufeinander folgenden Impulsen mit umgekehrter Vorspannung anzulegen, die durch eine Dauer, eine Stärke, eine Ladung und eine Steilheit bestimmt werden, wobei einer dieser Parameter einen vorbestimmten Wert hat, und die anderen einen Wert haben, der von der Zeit und von der Position des Rotors abhängt,
– einen Messkreis, der für jeden Impuls ein Signal eines ersten Typs liefert, das für einen der Parameter repräsentativ ist, dessen Wert nicht vordefiniert ist,
– eine Steuerschaltung, die mit den Klemmen verbunden ist, um sequentiell die Wicklungen des Stators zu speisen und ein drehendes Induktionsmagnetfeld zu erzeugen, das ein Rotormoment erzeugt,
– Mittel, um die Steuerschaltung während des Anlegens der Impulse zu deaktivieren, und
– Rechenmittel, die aufweisen:
– eine Subtrahierschaltung, die mit dem Messkreis verbunden ist und zwei Signale eines zweiten Typs liefert, die je für die Differenz zwischen den Signalen des ersten Typs entsprechend jeder Wicklung repräsentativ sind,
– einen Speicher, der Informationen enthält, die eine Korrelation zwischen den Werten der Signale des zweiten Typs und der Winkelposition des Rotors erstellen,
– eine Vergleichsschaltung, die mit dem Speicher und der Subtrahierschaltung verbunden ist, um ausgehend von den Werten der Signale des zweiten Typs und unter Bezugnahme auf die im Speicher enthaltenen Informationen die möglichen Winkelpositionen des Rotors zu bestimmen, und
– eine Bestimmungsschaltung, die mit der Vergleichsschaltung verbunden ist, um zu definieren, welche der Winkelpositionen die wahrscheinlichste ist.

Eine derartige Vorrichtung erlaubt es, die Position eines Rotors auf besser als ein Winkelgrad zu kennen.
Vorteilhafterweise umfasst der Messkreis Mittel, um den Wert zu messen, den die Stromstärke nach einer vorbestimmten Zeitdauer erreicht.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Vergleichsschaltung Mittel, um eine erste Einheit von Winkelpositionen zu bestimmen, die dem ersten Signal des zweiten Typs entsprechen, und eine zweite Einheit von Winkelpositionen, die dem zweiten Signal des zweiten Typs entsprechen, während die Bestimmungsschaltung Folgendes umfasst:

– Mittel, um die Winkelpositionen der ersten und der zweiten Einheit zu vergleichen, und um den den beiden Einheiten gemeinsamen Winkel auszuwählen, und
– Mittel, um den Wert des Winkels als Augenblicksposition des Rotors zu übertragen.

Weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung, die sich auf die anliegende Zeichnung bezieht, in welcher:
1 den Stromlaufplan einer erfindungsgemäßen Vorrichtung darstellt, die dazu bestimmt ist, einen dreiphasigen Gleichstrommotor ohne Schaltkollektor auszustatten;
2 in a) die Form der Spannungsimpulse zeigt, die an die Wicklung einer Phase des Stators angelegt werden und in b) die Variation in Abhängigkeit von der Zeit der repräsentativen Spannungen der Ströme, die in der Wicklung als Reaktion auf die in a) dargestellten Spannungsimpulse laufen;
3 eine schematische Ansicht eines Teils der 1 ist, und
4 und 5 dazu dienen zu erklären, wie die Winkelposition des Rotors bestimmt werden kann.
1 zeigt schematisch eine Vorrichtung, die dazu bestimmt ist, einen Motor 1 auszustatten, der in herkömmlicher Art einen Rotor und einen Stator (beide nicht dargestellt) umfasst und die aus einem Messwiderstand 2, einer Steuer- und Leistungsschaltung 3, einem Impulsgenerator 4, einem Messkreis 5, Rechenmitteln 6 und Mitteln zum Deaktivieren der Steuerschaltung 3 gebildet ist.
Der Motor 1 ist vom Dreiphasentyp mit Gleichstrom ohne Schaltkollektor. Er umfasst drei Wicklungen, die den drei Phasen des Stators zugeordnet sind und jeweils die Bezugszeichen R, S und T tragen. Diese Wicklungen sind in Sternschaltung angeordnet, wobei ihr gemeinsamer Punkt N der Nullpunkt ist, der über den Widerstand 2 mit geringem Wert an einen Massepunkt M angeschlossen ist.
Der Rotor umfasst einen Magnet, der ein nach einer radialen Magnetachse ausgerichtetes Induktionsfeld erzeugt. Dieses Feld bildet mit einem Referenzpunkt des Stators einen Winkel φ, der gemäß der vereinbarten Terminologie der Winkel des Rotors ist.
Die Steuerschaltung 3 ist an die drei Wicklungen R, S und T sowie an den Impulsgenerator 4 angeschlossen. Sie ist dazu bestimmt, rechtzeitig die erforderlichen Ströme zu liefern, um ein drehendes Magnetfeld zu schaffen und daher auf dem Rotor ein Moment zu erzeugen, um dessen Bewegung sicherzustellen.
Der Impulsgenerator 4 ist an die Masse M und an die freien Klemmen der Wicklungen von mindestens zwei Phasen, zum Beispiel R und T angeschlossen, sowie an die Mittel 7, die dazu bestimmt sind, die Steuerschaltung 3 zu deaktivieren.
Der Messkreis 5 umfasst zwei Eingänge, die mit den Klemmen des Widerstands 2 verbunden sind und einen Ausgang, der mit den Rechenmitteln 6 verbunden ist. Er ist zum Messen der Spannung an den Klemmen des Widerstands 2, deren Wert bekannt ist, angeordnet, was es erlaubt, die Stromstärke zu bestimmen, die durch diesen Widerstand läuft. Der Messkreis 5 wird von einer Zeitbasis, die in der Zeichnung nicht dargestellt ist, gesteuert, die es erlaubt, die Messungen in vordefinierten Zeitintervallen durchzuführen.
Die Rechenmittel 6 umfassen einen Eingang und einen Ausgang, die jeweils an den Messkreis 5 und an die Steuerschaltung 3 angeschlossen sind.
Wie 3 zeigt, bestehen die Rechenmittel 6 aus einer Subtrahierschaltung 10, einem Speicher 11, einer Vergleichsschaltung 12 und einer Bestimmungsschaltung 13. Die Schaltungen 10, 12 und 13 sind in Serie geschaltet, während der Speicher 11 an die Schaltung 12 angeschlossen ist.
Die Mittel 7 zum Deaktivieren der Steuerschaltung 3 umfassen einen Eingang und einen Ausgang, die jeweils an den Impulsgenerator 4 und an die Steuerschaltung 3 angeschlossen sind.
Um das Antreiben des Rotors sicherzustellen, lässt die Steuerschaltung 3 durch die Wicklungen R, S und T sequentiell einen Strom laufen, der in dem Stator ein Induktionsfeld induziert. Daraus ergibt sich ein Motormoment, das an den Rotor angelegt wird, das ihn mit einer Drehzahl drehen lässt, die von den Speisungsbedingungen der Wicklungen abhängt.
Diese Vorgehensweise ist dem Fachmann gut bekannt. Sie wird an die so genannten Synchronmotoren angewandt. Damit die Motorleistung optimal ist, ist es erforderlich, dass das von dem Strom induzierte Feld mit der Magnetachse des Rotors einen Winkel von etwa 90° bildet. In dem Fall der herkömmlichen Synchronmotoren erfolgt diese Justierung automatisch, indem der Rotor seine Drehzahl an die des Drehfelds anpasst. Eine derartige Lösung erlaubt jedoch keine plötzlichen Drehzahlvariationen oder langsame Bewegungen.
Um dieses Problem zu lösen, ist es erforderlich, die Rotorposition zu messen. Dazu sendet die Steuerschaltung 3 dem Impulsgenerator 4 Informationen, die es ihm erlauben, den Messrhythmus der Rotorposition zu definieren. Für einen Motor, der mit einer Drehzahl von etwa 10 Umdrehungen pro Sekunde dreht, kann die Messung vorteilhafterweise alle 10 ms erfolgen.
Jedes Mal, wenn der Impulsgenerator 4 eine Messung durchführen muss, beginnt er damit, den Mitteln 7, die die Steuerschaltung 3 vorübergehend deaktivieren, ein Signal zu senden. Die Speisung wird während etwa 200 μs unterbrochen. Während dieser Zeit legt der Generator 4 zuerst zwischen der freien Klemme der Wicklung R und der Masse M ein Impulspaar an, das einen ersten Impuls mit kontinuierlicher positiver Spannung mit der Amplitude V_p umfasst, die während einer Zeitdauer von τ_i aufrechterhalten wird, wie das in 2a dargestellt ist, danach einen zweiten Spannungsimpuls mit umgekehrter Vorspannung V_n, mit der gleichen Amplitude und der gleichen Dauer wie der vorhergehende Impuls.
Die beiden Impulse schaffen in der Wicklung R einen ersten Strom, danach einen zweiten Strom in die entgegengesetzte Richtung. Diese Impulse sind derart definiert, dass ihre Stärke unzureichend ist, um an dem Rotor eine signifikante mechanische Aktion zu ergeben, aber ausreicht, damit das Magnetfeld, das sie induzieren, den Werkstoff des Stators zur Sättigung bringt, wenn dieses zu dem Magnetfeld des Rotors hinzugefügt wird.
Beim Durchqueren des Widerstands 2 erzeugen diese zwei Ströme an seinen Klemmen jeweils eine erste Spannung mit dem Bezugszeichen V_pR und eine zweite Spannung mit dem Bezugszeichnen V_nR, die für diese Ströme repräsentativ sind, und deren Variationen in Abhängigkeit von der Zeit, die mit dem Messkreis 5 gemessen werden, in 2b sichtbar sind.
Aus dieser Figur geht klar hervor, dass die gemessenen Spannungen V_pR und V_nR unterschiedlich sind, obwohl die an die Klemmen R und M angelegten Spannungen im Absolutwert gleich sind. Das ist darauf zurückzuführen, dass sich das von diesen Impulsen induzierte Magnetfeld zu dem des Rotors hinzufügt oder von ihm subtrahiert. Wenn Hinzufügung besteht, ist der Magnetwerkstoff des Stators gesättigt, so dass der resultierende Strom geringer ist. Daher steigt die Spannung V_pR langsamer als V_nR.
Mit anderen Worten weisen die gemessenen Spannungen V_pR und V_nR Merkmale auf, die von der Position des Rotors abhängen. Einer anderen Rotorposition würden daher ähnliche aber unterschiedliche Kurven entsprechen.
Zu bemerken ist, dass zwischen den an den Klemmen des Widerstands 2 gemessenen Signalen und der Rotorposition keine Eineindeutigkeit besteht. Um daher die Zweideutigkeit, die sich daraus ergibt, aufzuheben, muss man direkt nachher, im Laufe der gleichen Speisungsunterbrechung, eine zweite Messung nach gleichen Modalitäten durchführen, wobei die Messspannung an eine andere Wicklung, zum Beispiel die Wicklung T angelegt wird.
Bei der Vorrichtung der 1 bestimmt der Messkreis 5 den Wert, den die Spannung nach einer gegebenen Messzeitspanne τ_m, gezählt ab dem Anfang des Anlegens des Spannungsimpulses erreicht. Schaltungen, die diese Funktion erfüllen und den so erzielten Wert speichern, sind gut bekannt und werden daher nicht beschrieben.
In der Folge der vorliegenden Beschreibung werden die Werte, die die Spannungen V_pR Und V_nR der Wicklung der Phase R nach dem Intervall τ_m erreichen, jeweils mit V_pRm, und V_nRm bezeichnet. Diese gemessenen Parameter hängen nur von der Position des Rotors ab. Analog werden die den Wicklungen der Phasen S und T zugewiesenen Parameter jeweils mit V_pSm, V_nSm und V_pTm, v_nTm bezeichnet.
Die Kenntnis der Parameter V_pRm und V_nRm, V_pSm und V_nSm, V_pTm und V_nTm erlaubt es, die Winkelposition φ des Rotors zu bestimmen. Das wird mit Hilfe der Rechenmittel 6, die in 3 dargestellt sind, durchgeführt.
Jedes Mal, wenn eine Messung durchgeführt wird, sendet der Messkreis 5 den Wert des Messparameters an die Rechenmittel 6 und insbesondere an die Subtrahierschaltung 10. Jedes Mal, wenn diese Letztere die Parameter, die zu einem Impulspaar gehören, empfangen hat, berechnet sie V_m = V_pm – V_nm für die betreffende Phase. Der Vorgang wird mit einer zweiten Phase wiederholt. In dem oben beschriebenen Beispiel berechnet die Subtrahierschaltung 10 daher den Wert von V_Rm und V_Tm.
Wie weiter oben erklärt, erlaubt es die Kenntnis von V_Rm und V_Tm, die Winkelposition des Rotors zu kennen.
Um diesen Winkel zu bestimmen, speichert man ein Diagramm, das die Variation von V_Rm und V_Tm in Abhängigkeit von φ darstellt. Das Diagramm, das in 4 dargestellt ist, zeigt, dass diese Variation im Wesentlichen sinusförmig erfolgt. Die Kurven, die jeder der Wicklungen entsprechen, sind um 120° phasenverschoben. Dieses Diagramm ist im Speicher 11 gespeichert.
Die Werte von V_Rm und V_Tm, die aus der Subtrahierschaltung 10 hervorgehen, werden an die Vergleichsschaltung 12 gesendet, die in dem Speicher 11 sucht, welche Werte von φ V_Rm und V_Tm entsprechen und sie an die Bestimmungsschaltung 13 sendet. Letztere, die eigentlich eine Subtrahierschaltung ist, hat die Aufgabe, den Winkel φ₀ zu bestimmen, indem sie sich auf die Tatsache basiert, dass er notwendigerweise den zwei Kurven V_R und V_S gemeinsam ist. Diese Schaltung, deren Herstellung dem Fachmann bekannt ist, berechnet die Unterschiede φ_R1 – φ_S1, φ_R1 – φ_S2, φ_R2 – φ_S1, φ_R2 – φ_S2 und wählt die Winkel aus, deren Unterschied gleich Null ist, wobei diese dem gesuchten Winkel φ₀ entsprechen. In dem dargestellten Fall φ₀ = φ_R2 = φ_S1, wie 4 zeigt.
Natürlich hätte der gleiche Winkel φ₀ auch mit einer anderen Auswahl für die zwei Funktionen erzielt werden können, indem man zum Beispiel V_R und V_T nimmt.
Eine Variante besteht darin, die Gleichungen der Kurven zu definieren, die für mindestens zwei Wicklungen die Variation von V in Abhängigkeit von φ darstellen. In diesem Fall werden die verschiedenen möglichen Werte von φ berechnet und dann verglichen, um schließlich den Wert φ₀ auszuwählen, den die zwei Kurven gemeinsam haben. Der Speicher wird dann mit einer Recheneinheit vervollständigt, die die möglichen Werte von φ ausgehend von den Gleichungen φ(V) bestimmt und sie an die Vergleichsschaltung 12 sendet. Der Speicher 11 enthält die Parameter, die diese Gleichungen definieren.
Zu bemerken ist, dass die Gleichheit der Winkel φ_R2 und φ_S1 einem theoretischen Fall entspricht. In der Wirklichkeit sind es die Winkel, deren Unterschied im Absolutwert am geringsten ist, die einen Bereich definieren, innerhalb dessen der gesuchte Winkel liegt, dem vorteilhafterweise der Durchschnittswert von φ_R2 und φ_S1 zugewiesen werden kann. Es ergibt sich daher eine bestimmte Ungewissheit hinsichtlich des Winkels.
Die Präzision der Messung kann durch den Einsatz der dritten Funktion, das heißt V_T verbessert werden. Das erlaubt es nämlich, drei Bereiche zu bestimmen, deren Schnittstelle einen kleineren für den Bereich gesuchten Winkel definiert.
In der Praxis sind die Schwankungen der Funktionen V_R, V_S und V_T weniger regelmäßig als die der Kurven der 4 und können lokal plötzliche Sprünge mit entgegengesetzten Vorzeichen aufweisen, wie das in 5 in vergrößertem Maßstab für V_R dargestellt ist, während V_S regelmäßig variiert. Derartige Schwankungen sind auf besondere Formen des Stators zurückzuführen.
In dem Beispiel der 5 entsprechen einer Spannung V_R0 drei Winkel φ_R1, φ_R2, φ_R3, und einer Spannung V_S0 ein Winkel φ_S1. In diesem Fall berechnet die Bestimmungsschaltung 13 die Unterschiede φ_R1 – φ_S1, φ_R2 – φ_S1, φ_R3 – φ_S1. Da der Wert φ_R2 – φ_S1 der kleinste ist, wird der Winkel φ₀ daher als (φ_S1 + φ_R2)/2 definiert.
Da der Winkel φ₀ bekannt ist, wird er an die Steuerschaltung 3 übertragen, damit sie die drei Phasen des Stators mit Strom speist und die drehenden magnetischen Induktionsfelder erzeugt, die erforderlich sind, damit der Rotor in die richtig Richtung und mit dem optimalen Moment (1) startet. Danach schafft die Steuerschaltung 3 gemäß einem vorerstellten Programm Messfenster mit einer Dauer von etwa 4τ_i, während welcher sie die Stromspeisung des Stators unterbricht und dem Impulsgenerator 4 ein Signal sendet. Als Antwort auf jedes Signal, das in den Augenblicken i₁, i₂ ... i_n gesendet wird, beginnt ein Messzyklus, der jeweils die Winkel φ₁, φ₂ ... φ_n an die Steuerschaltung 3 liefert. Mit diesen Informationen kann die Steuerschaltung das drehende Induktorfeld mit dem Winkel des Rotors steuern, um das optimale Moment bis zur Grenzdrehzahl zu erzeugen.
Alle von der Steuerschaltung 3 erfüllten Funktionen sind gemäß dem früheren Stand der Technik bekannt. Das bereits erwähnte Dokument US 5 117 165 (Cassat), offenbart zum Beispiel eine Vorrichtung, die sich von der oben beschriebenen dadurch unterscheidet, dass sie es nicht erlaubt, die Präzision des Rotors bis zum Stillstand zu bestimmen und mit einer Präzision von 30° für einen Drehstrommotor. Diese Verbesserung wird dank der Merkmale der Rechenschaltung 6 der vorliegenden Anmeldung erzielt. Alle anderen Schaltungen haben in dem anderen Dokument eine hinsichtlich der Funktion entsprechende ähnliche Schaltung.
Natürlich kann die oben beschriebene Vorrichtung noch anderen Änderungen unterworfen werden und sich mit anderen für den Fachmann offensichtlichen Varianten präsentieren, ohne den Geltungsbereich der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Unter diesen Varianten ist die Möglichkeit zu nennen, ein ganz und gar mit dem Impulsgenerator 4 vergleichbares Ergebnis zu erzielen, bei dem es nicht die Impulsdauer ist, die konstant ist, sondern die Stärke des gemessenen Stroms, wie weiter oben erklärt. Es ist in der Tat auch möglich, die Stromstärke, die Ladung oder auch die Steigung des gemessenen Signals als stationären Parameter auszuwählen und die Dauer, die Ladung oder die Steigung des gemessenen Signals als gemessenen Parameter, wobei der gleiche Parameter natürlich nicht gleichzeitig stationär und gemessen sein kann.
In der oben gegebenen Beschreibung erfolgt die Messung unter der Annahme, dass sich der Rotor zwischen zwei aufeinander folgenden Impulsen nicht bewegt. Diese Annäherung beeinträchtigt die Qualität der Messung nicht, zumindest so lange nicht, wie die Drehzahl des Rotors gering ist und die Kurven V(φ) regelmäßige Strukturen aufweisen. Wenn die Präzision der Messung verbessert werden muss, ist es bei der zweiten oben als Variante gegebenen Ausführungsform daher möglich, ausgehend von der vorher bestimmten Drehzahl den Winkel zu berechnen, den der Rotor wahrscheinlich zwischen den Messimpulsen durchlaufen hat.
Anwendungsgemäß kann die Dauer zwischen zwei aufeinander folgenden Messungen in Abhängigkeit von den Auflagen, welchen der Motor unterworfen ist, beträchtlich variieren. Es ist auch möglich, die Präzision der Messung zu verbessern, indem man jeden der Motoren derart eicht, dass die in dem Speicher 11 gespeicherten Werte genau den Merkmalen des Motors entsprechen. Bei den meisten Anwendungen können jedoch die gleichen Kurven für einen gleichen Motortyp gespeichert werden.
Bei der Steuerschaltung der Vorrichtung der 1 erfolgt die Speisung phasenweise. Natürlich ist es auch möglich, die Phasen nach Sequenzen zu speisen, die der Fachmann „2 phases-ON" und „3 phases-ON" nennt, bei welchen die Antriebsimpulse jeweils gleichzeitig an zwei und an drei Spulen gerichtet werden.
Um die Beschreibung zu erleichtern, wurde die erfindungsgemäße Vorrichtung als mehrere Schaltungen enthaltend beschrieben, die miteinander verbunden sind, um die Rotorposition zu messen. Natürlich können die von dem Impulsgenerator 4, dem Messkreis 5, den Rechenmitteln 6 und den Mitteln 7 zum Deaktivieren sichergestellten Funktionen durch einen entsprechend programmierten Mikroprozessor ersetzt werden.

Claims

Verfahren zur Bestimmung der Winkelposition des Rotors eines elektromagnetischen Motors ohne Schaltkollektor, von der Art, die einen Stator, der von einem Belag aus weichmagnetischem Material und mehreren Wicklungen gebildet wird, die in der Nähe des Belags angeordnet und je mit zwei Klemmen versehen sind, und einen Rotor aufweist, der einen eine Magnetachse definierenden Magnet aufweist und vor dem Stator angeordnet ist, gespeist durch Anlegen einer Spannung ausreichender Stärke an die Klemmen der Wicklungen, dadurch gekennzeichnet, dass es die folgenden Schritte aufweist: • bei unterbrochener Speisung, Anlegen eines Paars von aufeinander folgenden Impulsen mit umgekehrter Vorspannung an die Klemmen einer ersten und dann einer zweiten Wicklung, wobei die Impulse durch eine Dauer, eine Stärke, eine Ladung und eine Steilheit bestimmt werden, wobei einer dieser Parameter einen vorbestimmten Wert hat, und die anderen einen Wert haben, der von der Zeit und von der Position des Rotors abhängt, wobei die Stärke ausreicht, damit das induzierte Magnetfeld das Material des Stators zur Sättigung bringt, wenn dieses zum Magnetfeld des Rotors hinzugefügt wird, • für jeden Impuls, Bestimmen eines Signals eines ersten Typs, das für einen der Parameter repräsentativ ist, dessen Wert nicht vordefiniert ist, • Definieren von zwei Signalen eines zweiten Typs, die je für den Wert der Differenz zwischen den Signalen des ersten Typs entsprechend jeder Wicklung repräsentativ sind, • ausgehend von ursprünglich gespeicherten Informationen, Erstellen einer Korrelation mit den Werten der Signale des zweiten Typs, um die möglichen Winkelpositionen des Rotors zu bestimmen, und • Auswahl der wahrscheinlichsten dieser Winkelpositionen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der vordefinierte Parameter eine Zeit und das Signal für die Stromstärke repräsentativ ist.
Vorrichtung zum Messen der Position des Rotors eines elektromagnetischen Motors (1) ohne Schaltkollektor, von der Art, die einen Stator, der von einem Belag aus weichmagnetischem Material und mehreren Wicklungen gebildet wird, die in der Nähe des Belags angeordnet und je mit zwei Klemmen versehen sind, und einen Rotor aufweist, der einen Magnet aufweist und vor dem Stator angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass sie aufweist: • einen Impulsgenerator (4), der Mittel aufweist, um an die Klemmen einer ersten und dann einer zweiten Wicklung ein Paar von aufeinander folgenden Impulsen mit umgekehrter Vorspannung anzulegen, die durch eine Dauer, eine Stärke, eine Ladung und eine Steilheit bestimmt werden, wobei einer dieser Parameter einen vorbestimmten Wert hat, und die anderen einen Wert haben, der von der Zeit und von der Position des Rotors abhängt, wobei die Stärke ausreicht, damit das induzierte Magnetfeld das Material des Stators zur Sättigung bringt, wenn dieses zum Magnetfeld des Rotors hinzugefügt wird, • einen Messkreis (5), der für jeden Impuls ein Signal eines ersten Typs liefert, das für einen der Parameter repräsentativ ist, dessen Wert nicht vordefiniert ist, • eine Steuerschaltung (3), die mit den Klemmen verbunden ist, um sequentiell die Wicklungen des Stators zu speisen und ein drehendes Magnetfeld zu erzeugen, das ein Rotormoment erzeugt, • Mittel (7), um die Steuerschaltung (3) während des Anlegens der Impulse zu deaktivieren, und • Rechenmittel (6), die aufweisen: – eine Subtrahierschaltung (10), die mit dem Messkreis (5) verbunden ist und zwei Signale eines zweiten Typs liefert, die je für die Differenz zwischen den Signalen des ersten Typs entsprechend jeder Wicklung repräsentativ sind, – einen Speicher (11), der Informationen enthält, die eine Korrelation zwischen den Werten der Signale des zweiten Typs und der Winkelposition des Rotors erstellen, – eine Vergleichsschaltung (12), die mit dem Speicher und der Subtrahierschaltung verbunden ist, um ausgehend von den Werten der Signale des zweiten Typs und unter Bezugnahme auf die im Speicher enthaltenen Informationen die möglichen Winkelpositionen des Rotors zu bestimmen, und – eine Bestimmungsschaltung (13), die mit der Vergleichsschaltung verbunden ist, um zu definieren, welche der Winkelpositionen die wahrscheinlichste ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Messkreis (5) Mittel aufweist, um den Wert zu messen, den die Stromstärke nach einer vorbestimmten Zeitdauer erreicht.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Vergleichsschaltung (12) Mittel aufweist, um eine erste Einheit von Winkelpositionen, die dem ersten Signal des zweiten Typs entsprechen, und eine zweite Einheit von Winkelpositionen zu bestimmen, die dem zweiten Signal des zweiten Typs entsprechen, und dass die Bestimmungsschaltung (13) aufweist: • Mittel, um die Winkelpositionen der ersten und der zweiten Einheit zu vergleichen, und um den den beiden Einheiten gemeinsamen Winkel auszuwählen, und • Mittel, um den Wert des Winkels als Augenblicksposition des Rotors zu übertragen.