DE69217199T2

DE69217199T2 - Vorrichtung und zugehöriges verfahren zur kompensation von drehmomentschwankungen in einem permanent magnetischen elektrischen motor

Info

Publication number: DE69217199T2
Application number: DE69217199T
Authority: DE
Inventors: Peter Mongeau
Original assignee: Kaman Electromagnetics Corp
Current assignee: Kaman Aerospace Corp
Priority date: 1991-10-28
Filing date: 1992-08-14
Publication date: 1997-07-10
Anticipated expiration: 2012-08-15
Also published as: JPH06503464A; EP0564608A4; JP2548513B2; WO1993009595A1; US5223775A; DE69217199D1; ES2097349T3; FI932937A0; KR930703731A; GR3023143T3; EP0564608B1; EP0564608A1; FI932937A; DK0564608T3

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung bezieht sich generell auf Motorensteuerungen. Sie handelt im speziellen von einer Einrichtung und eine damit verbundenes Verfahren zur Kompensation von Drehmomentschwankungen in einem elektrischen Permanentmagnetmotor.
Der Einsatz von Permanentmagnetmotoren ist seit langem bei der Verwendung von typischen Motorensystemen, die eine Kombination von einem Permanentwechselstrom generator mit einem Wechselrichterantrieb einschliessen, und deren Ausgangstreibsignal mit der Rotorstellung synchronisiert ist, wohlbekannt. Ein solcher Motor ist als bürstenloser Gleichstromantriebsmotor bekannt,.und seine Konfiguration ist derjenigen eines konventionellen Gleichstromkollektormotors mit einer getrennt erregten Feldwicklung etwas ähnlich. Es ist auch bekannt, den Motor durch ein Wechselrichter-Antriebssignal mit einer einfachen rechtwinkligen Impulswellenform zu erregen, um zu bewirken, dass der Motor mit einer Geschwindigkeit läuft, die im wesentlichen proportional zur Grössenordnung der Gleichstromspannung ist, mit der der Wechselrichter arbeitet. Das erzeugte Drehmoment wird gewöhnlich proportional zum Gleichstrom sein. Es ist ferner bekannt, den Motor durch eine pulsweitenmodulierte (PWM)Wechselrichter-Antriebsspannung zu erregen, um die Leistung eines regelbaren Gleichstrommotors zu replizieren.
Die Klasse der konventionellen bürstenlosen Gleichstrommotoren hat, verglichen mit den konventionellen elektrischen Gleichstrom-Kollektormotoren, Vor- und Nachteile, besonders wenn man die Drehmomentschwankungen und den Lärm, der erzeugt wird, vergleicht. Der konventionelle bürstenlose Gleichstrommotor erzeugt grosse Drehmomentschwankungen, die hauptsächlich auf die relativ kleine Anzahl Phasen, die den elektrischen Motor antreiben, zurückzuführen sind. Im Vergleich dazu weist ein konventioneller elektrischer Gleichstrom-Kollektormotor eine relativ grosse Anzahl von Kollektorsegmenten auf. Der Lärm, der durch einen konventionellen bürstenlosen elektrischen Gleichstrommotor erzeugt wird, neigt dazu, hoch zu sein, und zwar wegen der grossen Drehmomentschwankungen und auch wegen der relativ schnellen Übergänge der Phasenkommutation und der Pulsweitenmodulations-(PWM)-Schritte in der Wellenform der Antriebsspannung.
Es ist wünschbar, die Drehmomentschwankungen und den Lärm, der durch einen elektrischen Motor erzeugt wird, zu reduzieren, besonders bei Anwendungen, bei welchen der erzeugte Lärm Ursache von grossen Problemen ist. Eine solche Anwendung wäre zum Beispiel der Antrieb eines Unterwasserfahrzeuges. Als Lärmquelle besonderer Tragweite gelten Drehmomentschwankungen, die einen direkten und schwer zu unterbrechenden Fortpflanzungspfad zum Wasser, welches das Unterwasserfahrzeug passiert, aufweisen.
Ein bekannter Weg, um Drehmomentschwankungen und Lärm in einem bürstenlosen Gleichstrommotor zu reduzieren, besteht darin, einen Feldfluss und einen Ankerstrom zu erzeugen, die beide ungefähr wie eine Sinusfunktion eines Winkels verteilt sind, und dann den Wechselrichterantrieb laufen zu lassen und den Ausgang des Antriebs so zu filtern, dass eine Antriebsspannung resultiert, die im wesentlichen einer Sinusfunktion der Zeit entspricht. Die Leistung eines bürstenlosen Gleichstrommotors nähert sich derjenigen eines elektrischen Wechselstrommotors mit diesem Ansatz. Obwohl Drehmomentschwankungen und Lärm reduziert werden, ist der Ansatz gewöhnlich wegen der Zunahme der Grösse des elektrischen Motors und der Abnahme der erreichbaren Leistungsabgabe unbefriedigend. Ausserdem ist das oben beschriebene Verfahren zur Reduktion der Drehmomentschwankunge und des Lärms wegen der Schwierigkeit, Komplexität und dem häufigen Unvermögen, sich den gewünschten Wellenformen anzunähern, etwas eingeschränkt.
Die JP-A-61203885 beschreibt ein Motorensteuerungssystem, das dazu bestimmt ist, die Drehmomentschwankungen durch die Speicherung eines drehmomentkonstanten Korrekturwertes in Reaktion auf die Rotationsposition eines Motors im voraus in einem Kontrolltabellenspeicher zu verbessern. Zu diesem Zweck zählt ein Zähler einen Zeitsignalausgang eines digitalen Tachometers und liefert ein Signal der absoluten Rotordrehung eines Gleichstrommotors. Der Ausgang des Zählers wird als Adresse für den Zugang zum Kontrolltabellenspeicher verwendet. Der Speicher speichert den Wert für die Korrektur der Variation der Drehmomentkonstanten, die durch die Struktur eines Motors in Tabellenformat erzeugt wird. Die Korrekturwertausgabe des Speichers wird mit einem Referenzwert verglichen und an einen Konverter weitergegeben. Der Konverter multipliziert die Antriebssignalausgabe von einem Servohauptstromkreis mit dem Korrektursignal und liefert einen analogen Antriebsstrom. Diese Einrichtung kann nur für eine statische Korrektur der erwarteten Drehmomentvariation eingesetzt werden.
Die JP-A-571 13791 beschreibt eine Antriebseinrichtung für einen bürstenlosen Gleichstrommotor, mit dem Zweck, die Drehmomentvariation des Motors mit einem Verfahren zu eliminieren, bei welchem ein Referenz-Erregungsstromwert von einem Speicherstromkreis mit einem Motorenkontrollsignal multipliziert wird. Der multiplizierte Wert wird zu den Ankerwicklungen geleitet. Dazu wird der Referenz-Erregerstromwert verwendet, der erforderlich ist, um ein gewünschtes Drehmoment, das dem magnetischen Zustand eines Rotors entspricht, zu erzeugen. Der Wert jedes erregenden Stromes, der dem Rotationswinkel des Rotors entspricht, wird mit einem Wellencodierer detektiert und aus dem Speicherstromkreis gelesen. Inzwischen multipliziert ein arithmetischer Stromkreis die Referenzwerte der bestehenden Ströme mit einem Kontrollsignalwert, um die Grösse der erregten Ströme, die proportional zum Kontrollsignal sind, zu berechnen. Endverstärker bewirken eine Pulsweitenmodulation für die Erregerströme in Übereinstimmung mit dem digitalen Signal, das vom arithmetischen Stromkreis geliefert wird, um die Erregerströme an die Ankerwicklungen zu liefern. Die Summe der Drehmomente, die durch die kontrollierten Erregerströme auf den Rotor wirken, wird konstant. Diese Einrichtung erlaubt jedoch keine vollständig dynamische Korrektur des Drehmomentes.
Es ist deshalb ein allgemeines Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Kombination von einem elektrischen Permanentmagnetmotor mit einem festen Stromwechselrichter zu schaffen, um das Ausgangsdrehmoment präzis zu steuern und die Lärmentwicklung zu minimalisieren.
Es ist ferner ein Ziel der vorliegenden Erfindung, die Auswahl der Motormagnetik eher aufgrund einer hohen Drehmomenterzeugung als aufgrund einer minimalen Lärmerzeugung zu ermöglichen.
Es ist ausserdem ein Ziel der vorliegenden Erfindung, Lärmreduktion durch die Steuerung der Wellenform des Stroms, der den elektrischen Motor antreibt, zu ermöglichen.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung wird die Einrichtung und ein im Zusammenhang mit der Einrichtung durchführbares Verfahren zur Steuerung des Drehmomentes und der Drehmomentschwankungen in einem Mehrphasen-Permanentmagnet- Axialfeldmotor dargestellt. Ein Eingangsstromsignal liefert ein Steuersignal für die direkte Drehmomentsteuerung oder ein Fehlersignal einer externen Steuerung. Das Eingangsstromsignal entspricht demjenigen Strom, der notwendig ist, um die Motorenwicklungen zu erregen und um zu veranlassen, dass der Motor ein gewünschtes Ausgangsdrehmoment erzeugt. Eine Tabelle mit Werten, die einem Kompensationsfaktor für jede einer Anzahl von Rotorwinkelstellungen des Motors entsprechen, wird in einer Speichereinheit zur späteren Verwendung abgespeichert. Jeder Kompensationsfaktor definiert für jede der Anzahl der Rotorwinkelstellungen einen modifizierten Wert, der auf das Eingangsstromsignal anzuwenden ist, um die Erzeugung eines weitgehend schwankungsfreien Ausgangsdrehmomentes durch Kompensation von Quellen, welche zum Entstehen von Schwankungen beitragen können, zu bewirken. Als solche gelten zum Beispiel Lärm, zyklische Variationen in der Drehmomentbelastung, die von der Rotorstellung abhängig sind, und von anderen systematischen Variationen, die von der Rotorstellung abhängig sind.
Das Eingangsstromsignal, das in Übereinstimmung mit dem Modifikationswert für den Kompensationsfaktor für jede der Anzahl der Rotorwinkelstellungen modifiziert wird, liefert ein zweites Stromregelungssignal. Eine Tabelle der Multiplikationswerte, die einem Stromamplitudenfaktor für jede einer Anzahl von Rotorwinkelstellungen des Motors zugeordnet sind, wird in einer Speichereinheit gespeichert, und zwar zum späteren Wiederauffinden und Verwenden für das zweite Stromregelungssignal, das benötigt wird, um ein Stromregelungs-Steuersignal zu erzeugen.
Ein Antriebsstrom wird für jede Phase des Motors als Antwort auf das Stromregelungs- Steuersignal für jede der Anzahl der Rotorwinkelstellungen erzeugt, womit das Ausgangsdrehmoment des Motors die gewünschte Grösse und eine schwankungsfreie Charakteristik aufweist.
Die erfindungsgemässe Einrichtung wird durch den Patentanspruch 1 definiert.
Das erfindungsgemässe Verfahren wird durch den Patentanspruch 5 definiert.
Bevorzugte Ausbildungsformen der erfindungsgemässen Einrichtung werden durch die entsprechenden Patentansprüche 2 - 4 definiert.

KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN

Die oben erwähnten und weitere Merkmale werden durch die folgende Beschreibung und die Figuren verdeutlicht.
Fig. 1 ist ein schematisches Funktionsblockdiagramm, das das allgemeine Verfahren und die Einrichtung der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
Fig. 2 ist eine schematische Darstellung von Ankerwicklungen in einem konventionellen, bürstenlosen Gleichstrommotor.
Fig. 3 ist eine schematische Darstellung der Ankerwicklungen im Motor gemäss der vorliegenden Erfindung.
Fig. 4 stellt eine Wellenform dar, die die retroaktive elektromotorische Kraft (EMF) eines typischen Permanentmagnetmotors bei einer gegebenen Geschwindigkeit zeigt.
Fig. 5 zeigt eine sinusförmige Steuerstrom-Wellenform und die berechnete Puls-auf-Puls- Antwort-Wellenform des Wechselrichterstromkreises.
Fig. 6 zeigt eine Ausgangsdrehmoment-Wellenform entsprechend der sinusförmigen Steuerstrom-Wellenform von Fig. 5, wo das Ausgangsdrehmoment eine hohe Drehmomentschwankung aufweist.
Fig. 7 zeigt eine sinusförmige Steuerstrom-Wellenform, modifiziert in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung und der resultierenden Puls-auf-Puls-Antwort-Wellenform des Wechselrichterstromkreises.
Fig. 8 zeigt eine Ausgangsdrehmoment-Wellenform entsprechend der modifizierten Steuerstrom-Wellenform gemäss Fig. 7, wobei die Drehmomentschwankungen weitgehend eliminiert sind.
Fig. 9 veranschaulicht den Unterschied in der Ausgangsleistung zwischen dem korrigierten Steuerstromsignal und der durchschnittlichen Ausgangsleistung des sinusförmigen Steuerstromsignals.
Fig. 10 ist ein Ablaufdiagramm, das eine Anwendungsform des Verfahrens der vorliegenden Erfindung erklärt.

GENAUE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Dient folgende Beschreibung bezweckt, das Verfahren und die Vorteile der Steuerung, die durch die vorliegende Erfindung verkörpert sind, und die in Fig. 1 in Form eines schematischen Blockdiagramms veranschaulicht sind, umfassend zu beurteilen zu. Dieherkömmliche anerkannten Gedankengänge bei der Konstruktion eines elektrischen Motors legen grossen Wert auf die Minimierung von Ausgangsvariationen bei Veränderungen der Rotorstellung. Im Gegensatz zu den herkömmlichen Überlegungen beim Konstruieren erlaubt es die vorliegende Erfindung, einen elektrischen Motor herzustellen, der eine hohe Leistung und ein hohes Drehmoment erzeugt. Dabei sind, wenn überhaupt, nur sekundäre Überlegungen zu den Ausgangsvariationen in Funktion der Rotorstellung nötig.
Bei der vorliegenden Erfindung wird ein elektrischer Strom, der von einem hochbandbreitigen Stromregler in den Motor eingegeben wird, gesteuert, um das beabsichtigte Drehmoment zu erzeugen sowie um das Entstehen von Lärm durch die Steuerung der Drehmomentschwankungen und andere bekannte Mittel zur Lärmreduktion zu steuern.
Ein elektrischer Motor, der im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung verwendet werden soll, ist vorzugsweise ein Permanentmagnet-Wechselstromgenerator, in welchem das Material des Permanentmagneten bevorzugt eines der neuen Magnetmaterialien aus seltenen Erden ist. Beispielsweise wird aus der Familie der Magnete der seltenen Erden Neodym-Eisen-Bor dort bevorzugt, wo die Betriebstemperaturen den Gebrauch solcher Materialien erlauben. Wahlweise kann zum Beispiel der Selten-Erden-Magnet Samarium- Kobalt für einen weiten Temperaturbereich verwendet werden. Ein weiteres Merkmal der vorliegenden Erfindung erlaubt dem Konstrukteur die Wahl von Motorenkonfigurationen, die auf den eindeutigen Bedürfnissen der Motorenanwendungen beruhen. Die Permanentmagneten zum Beispiel können auf dem Rotor oder auf dem Stator montiert sein, und ausserdem kann der Luftspalt entweder entsprechend radialem oder axialem Fluss orientiert werden.
Bei der Wahl eines elektrischen Motors ist der Gebrauch einer magnetischen Trägerstruktur, die völlig frei von besonderen ferromagnetischen Merkmalen ist, um Komponenten des Reluktanzdrehmomentes beträchtlich zu vermindern, sehr wünschenswert. Eine Motorenkonstruktion, die frei von herausragenden ferromagnetischen Elementen ist, reduziert auch instabile magnetische Anziehungskräfte zwischen dem magnetischen Träger und dem Kern. Magnetische Anziehungskräfte wurden als Lärmquelle identifiziert, und zwar entweder direkt, wenn sie den Rotor hin- und herziehen, oder indirekt durch Verursachung eines Anstiegs bei Last. Es wird ferner vorgezogen, dass der Permanentmagnet-Teil des magnetischen Stromkreises des elektrischen Motors kein ferromagnetisches Material aufweist.
Eine bevorzugte Ausbildungsform von Motoren, die ein hohes Drehmoment bei relativ geringer Höchstgeschwindigkeit liefern, ist ein Lamellen-Wechselstromgenerator, der axial magnetisierte Permanentmagnete, die auf dem Rotor montiert sind, aufweist. Diese bevorzugte Ausbildungsform ist auch als Axialfluss-Permanentmagnet-Lamellenmotor bekannt. Der Magnetfluss kreuzt den Luftspalt axial auf beiden Seiten des Rotors, er verlässt auf der einen Seite der Rotorscheibe einen Stator und tritt auf der gegenüberliegenden Seite der Rotorscheibe in einen ähnlichen Stator ein. Bei einer solchen Motorenbauweise besteht das magnetische Trägermaterial aus nicht-ferromagnetischen Bestandteilen ohne besondere ferromagnetische Merkmale, was, wie oben dargelegt, einen wesentlichen Vorteil mit sich bringt.
Für Angaben über die allgemeine Konstruktion und den Betrieb eines elektrischen Motors, der einen Rotor mit nicht-ferromagnetischem Material aufweist, der mit radial angeordneten Permanentmagneten bestückt ist und bei welchem die Rotation durch Erregung von einem Dreiphasen-Schaltkreis auf den Rotor übertragen wird, sei auf das US-Patent Nr. 4,443,906 hingewiesen. Die Spulensegmente enthalten den Ankerwicklungsleitstrom in rechten Winkeln zum Magnetfeld, das durch Permanentmagneten erzeugt wird, um den elektrischen Strom effizient in der ganzen Ankerwicklung zu verändern, damit die präzise Phaseneinstellung zwischen den elektrischen Feldern der Ankerwicklung und den Magnetfeldern der Permanentmagnete aufrechterhalten wird. Für weitere Einzelheitern wird auf das genannte US-Patent Nr. 4,443,906 hingewiesen, dessen Offenbarung hiermit als integraler Beschreibungsteil gennannt wird.
Das US-Patent Nr.4,868,477 beschreibt ein Verfahren und eine Einrichtung zur Steuerung von Drehmomenten und Drehmomentschwankungen in einem regelbaren Reluktanzmotor. Die vorliegende Erfindung, bei der eher ein Axiualfluss-Permanentmagnet-Lamellenmotor verwendet wird als ein Reluktanzmotor, wie im letztgenannten Patent 4,868,477 beschrieben wird, beseitigt eine Anzahl von Schwierigkeiten und Nachteilen, die im Zusammenhang mit Reluktanzmotoren stehen., besonders bei Anwendungen, wo Lärm, insbesondere Lärm als Folge von Drehmomentschwankungen, von hoher Wichtigkeit ist. Es ist allgemein bekannt, dass der Betrieb eines regelbaren Reluktanzmotors eine Variation der Statorinduktion erfordert, und dass jede Kompensation der Drehmomentschwankungen auf der Grundwellen-Winkelabhängigkeit beruhend erzwungen werden muss. Zum Beispiel veranlasst die Erregung eines Reluktanzmotores mit einer quadratischen oder sinusförmigen Stromwellenform den Motor, ein überwiegend winkelabhängiges Ausgangsdrehmoment zu liefern, und die Amplitude des Schwankungsstroms hat dieselbe Grössenordnung wie das Netto- Ausgangsdrehmoment des Motors. Demnach hat ein Reluktanzmotor von Natur aus auch unter idealen oder optimierten Betriebsbedingungen eine hohe Drehmomentschwankung.
Während das Verfahren und die Einrichtung gemäss dem Patent 4,868,477 die Drehmomentschwankungen des Reluktanzmotors reduziert, kann die notwendige Kompensation zur Verminderung oder Verhinderung des durch die Drehmomentschwankungen verursachten Lärms nicht erreicht werden.
Die Magnetik und die Motorengeometrie des Axialfluss-Permanentmagnet-Lamellenmotors ergeben von Natur aus eine verhältnismässig glatte Drehmoment-zu-Winkel-Charakteristk. Im Gegensatz zum Reluktanzmotor hat der Axialfluss-Permanentmagnet-Lamellenmotor eine relativ schwache Verändereung der Statorinduktion in Abhängigkeit von der Rotorstellung. Der magnetische Stromkreis des Rotors, der im wesentlichen die Permanentmagnete enthält, verhält sich wie ein linearmagnetisches Material mit einer relativen Permeabilität von ca 1.09. Wie oben erwähnt, sind die restlichen Teile des Rotors, von den Magneten abgesehen, vorzugsweise aus nicht-ferromagnetischem Material hergestellt. Dies bewirkt, dass das resultierende Reluktanzdrehmoment im Vergleich zum normalen Betriebsdrehmoment als unbedeutend bezeichnet werden kann.
Ein nach der vorliegenden Erfindung konstruierter Motor unterscheidet sich von der Art der bürstenlosen Gleichstrommotoren, wie oben beschrieben, speziell in der Verbindung zwischen den Ankerwicklungen sowie zwischen den Ankerwicklungen und den Antriebswechselrichtern. Wie in Fig. 2 schematisch dargestellt, enthält ein typischer bürstenloser Gleichstrommotor, allgemein mit 10 bezeichnet, drei Wicklungen 12, 14, 16, die in einer Y- Konfiguration miteinander verbunden sind, mit ihren Enden 18, 20, 22, die mit einer zugehörigen Erregerspannungsquelle, typischerweise Phase A, Phase B und Phase C, gekoppelt sind. Die gegenüberliegenden Enden 24, 26, 28 der Wicklungen 12, 14, 16 sind miteinander verbunden. Dem Fachmann ist bekannt, dass gemäss dem Kirchhoffschen Gesetz eine Beziehung zwischen den elektrischen Phasenströmen in den Wicklungen besteht und dass deshalb der Strom in einer gegebenen Wicklung von den Strömen in den übrigen Wicklungen abhängig ist und in einer Relation zu diesen steht. Im Gegensatz dazu wird beim Motor gemäss der vorliegenden Erfindung der Strom in jeder Phasenwicklung ohne Bezugnahme auf oder Abhängigkeit von den Spannungsphasen der restlichen Wicklungen gesteuert. Wie in Fig. 3 dargestellt, wird hier ein Motor, allgemein mit 30 bezeichnet, schematisch erklärt. Die Motorphasenwicklung 32 besitzt die Enden 34 und 36, die für die Verbindung mit einer zugehörigen Erregerspannungsquelle, typisch Phase A und Nulleiter NA, verfügbar sind. Desgleichen besitzt die Motorphasenwicklung 38 die Enden 40 und 42, die für eine unabhängige Verbindung zu einer zugehörigen Erregerspannungsquelle, typisch Phase B und Nuilleiter NB, verfügbar sind. Entsprechend besitzt die dritte Motorenwicklung 44 die Enden 46 und 48, welche für die Verbindung mit einer dritten Erregerspannungsquelle, typisch Phase C und Nulleiter Nc, verfügbar sind. jede der Motorwicklungen 32, 38, 44 kann vom Ausgang eines H-Brücken-Wechselrichters aus erregt bzw. getrieben werden.
Die Motorphasenwicklungen können auch in einer Sternkonfiguration, unter Verwendung einer Verbindung mit einer tiefen Impedanz zum Nulleiter, miteinader in Verbindung stehen. Die Gleichstromquelle weist zwei symmetrische Spannungsquellen auf, welche in Serie geschaltet sind, durch eine Leitung zum Mittelpunkt mit niedriger Impedanz. Ein Leiter für niedrige Impedanzwerte wird zwischen den Mittelpunkt der Gleichstromquelle und des Nullleiters der Sternschaltung der Motorphasenwicklungen geschaltet. In einer derartigen Sternanordnung kann Motorphasenwicklung durch einen einfachen Halbwellen-Brücken- Wechselrichter gespiesen werden.
Es ist wünschbar, über einen Hochleistungs-Pulsmodulations (PWM-)-Wechselrichter-Antriebsstromkreis bei einer hohen Frequenz zu verfügen, um die PWM-Schwankungsamplitude klein zu halten, und um eine rasche Reaktion auf den Rotorsteuerungs- Stromkreis zu erhalten. Herkömmliche Überlegungen zur Minimierung von Induktions- und Schaltverlusten müssen wie in allen Hochfrequenz- Stromkreisen gemacht werden, um die Gesamtleistung zu vergrössern. Es wurde auch gefunden, dass es wünschenswert ist IGBT (insulated gate bipolar transistors) als Schaltelemente in den Wechselrichtern zu verwenden.
Zusätzlich zu den Quellen, die, wie schon erwähnt, zu Drehmomentschwankungen beitragen, kann die Variation des Magnetfeldes im Luftspalt als Funktion der Rotorposition ein weiterer dominanter Faktor sein, der Drehmomentschwankungen in einem Permanentmagnetmotor verursacht. Die Variation des Magnetflusses verursacht zyklische Veränderungen des Drehmomentkoeffizienten, der als Drehmoment pro Stromeinheit definiert ist. Wenn zum Beispiel die Wicklungen mit einem zeitlich nicht variierenden Strom beliefert werden, während sich der Motor dreht, so ist das durchschnittliche Drehmoment proportional zum Strom, während das momentane Drehmoment mit der Rotorposition variiert.
Ein weiterer Faktor, der zu Drehmomentschwankungen beiträgt, ist das spezielle Drehmoment, das entsteht, wenn der Motor Ankerzähne hat; es wird durch die Neigung der Permanentmagnete, sich mit der Zahnstruktur in bevorzugten Richtungen einzustellen, verursacht. Bei Abwesenheit von nichtlinearen Effekten ist dieses Drehmoment normalerweise unabhängig von Ladungsströmen. Jedenfalls ist aber dieses Drehmoment von der Rotorstellung abhängig.
Die Wirkung auf das Motordrehmoment umfasst auch andere Quellen, beispielsweise unter anderem Reluktanzeffekte. Es ist zu beachten, dass der grösste Teil der Gesamtvariation des Drehmomentes eine wiederholbare Funktion von Rotorstellung und Ankerstrom ist. Ein weiteres Merkmal der vorliegenden Erfindung ist die Ausschaltung der zyklischen Variation des Motordrehmomentes durch Bestimmung des elektrischen Stromes im Motor als Funktion der Rotorstellung, ohne die Komplexität der Motorenkonstruktion zu vergrössern. Typischerweise ist die Rotorstellungs-Rückkopplung in den Anwendungsformen des Motors implementiert. Ausserdem wird die Motorstrom-Rückkopplung auch allgemein in der Steuerung des Wechselrichters, der die Motorenwicklungen erregt, verwendet. Um die zyklischen Variationen des Motorendrehmomentes gemäss der vorliegenden Erfindung zu eliminieren, muss die geeignete Abhängigkeit der Stromsteuerungs-Eingangsregelung für den Motor richtig bestimmt bzw. gewählt werden, und, aus praktischen Gründen, muss ein wirtschaftliches, zuverlässiges Verfahren zur Erreichung der erforderlichen funktionalen Abhängigkeit in der Hardware-Implementation vorhanden sein.
Um eine einwandfreie Wahl einer geeigneten Stromantriebs-Wellenform vorzunehmen, welche für stromabhängige Faktoren massgebend ist, während Kommutation ausgeführt wird, muss die Steuerstromregelung für jede gegebene Phase in zwei einzelne und definierte Anteile getrennt werden. Ein Teil kann als Relativstrom-versus-Amplitude-Funktion betrachtet werden, in welcher die Rotorstellung der unabhängige Wert der Funktion ist. Der zweite Teil ist die unmittelbare globale Steuerung, die in jedem Moment für alle Phasen gleich ist. Das Stromsteuersignal zu jeder Phase des Motors ist das Produkt der beiden Teile. Der globale Steuerwert dient auch als Grundwellen-Steuerungseingang für den Motor. Die globale Eingangssteuerung kann als Drehmomentsteuerung benützt werden, weil der Motor ein Drehmoment erzeugt, das annähernd proportional zum Strom ist.
Eine weitere rückkoppelnde Schleife kann benützt werden, um die Geschwindigkeit zu steuern, sowie um einige andere Funktionen durchzuführen, die zum Beispiel dazu dienen, ein maximales Drehmoment hervorzubringen oder gewisse Elemente der Drehmomentschwankung zu eliminieren. Die Grundwellenvoraussetzung zum Erreichen von Kommutation ist erfüllt, wenn die Funktion Relativstrom-versus-Winkel dort, wo die Phasenleiter von Pol zu Pol leiten, durch Null geht. Solange die relativen Ströme positionsabhängigen Funktionen folgen, die ihnen zugeordnet sind, wird die Wechselwirkung von Magnetfeld und Ankerstrom ein Drehmoment erzeugen, das direkt proportional ist zur Amplitude des Stroms mit positionsabhängiger Verstärkung.
Im extremen Grenzbereich, wo die Wechselwirkungen von Magnetfeld und Ankerstrom die einzigen Beiträge zum Drehmoment sind, erzeugt die Veränderung der Stromamplitude in einem umgekehrt proportionalen Verhältnis zur Verstärkung ein konstantes Verhalten des Drehmomentwinkels. Das globale Stromsteuersignal, das erforderlich ist, um ein konstantes Drehmoment zu erzeugen, wird allgemein komplizierter sein als eine einfache umgekehrt proportionale Relation zur Drehmomentkonstanten, wenn andere Effekte zum Drehmoment beitragen; jedenfalls bleibt das globale Stromsteuersignal bei nichtlinearem Verhalten lediglich eine Funktion der Position.
In Fig. 1 veranschaulicht ein schematisches Funktions-Blockdiagramm, allgemein mit 50 bezeichnet, die Steuerung und den Motor, die in der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Ein programmierbarer Festspeicher (PROM, Programmable Read-Only Memory) wird benutzt, um digitale Sigale zu speichern, die von der Rotorstellung abhängige charakteritische Informationen darstellen; diese werden wiederum benutzt, um die Stromsteuerung jeder Phase zu bestimmen. Das globale Stromsteuersignal wird mit dem Eingang 52 eines Verstärker verbunden, der im Funktions-Blockdiagramm allgemein mit 54 bezeichnet ist. Das globale Stromsteuersignal kann direkt - wie weiter oben dargelegt - als Steuersignal für die Drehmomentsteuerung oder in Anwendungen gebraucht werden, wo der Motor eine externe Steuerschleife hat, die die Geschindigkeit oder eine andere Funktion regelt. Der Eingang 52 ist allgemein das Fehlerausgangssignal der externen Steuerung. Ein zweiter Eingang 56 des Verstärkers 54 empfängt ein Signal, das eine Funktion der Charakteristik der globalen Stromkompensation ist, die in einem PROM gespeichert wird; dieser Funktionsblock wird allgemein mit 58 bezeichnet. Der Ausgang 60 des Verstärkers 54 wird in einen separaten Stromregler eingegeben, der in drei Einheiten aufgeteilt ist, von denen jesde mit jeder Phase verbunden ist und die allgemein durch die mit gestrichelten Linien begrenzten Blöcke 62, 64, 66 in Fig. 1 dargestellt sind. Die Stromregler 62, 64, 66 umfassen einen Verstärker, der durch den Funktionsblock 68, 70, 72 dargestellt ist. Der Ausgang 60 des Verstärkers 54 ist mit dem Eingang 130 des Verstärkers 68, dem Eingang 132 des Verstärkers 70 und dem Eingang 134 des Verstärkers 72 verbunden.
Die Stromregler 62, 64, 66 sind, abgesehen von den zugehörigen Phasenwicklungen des Motors, den sie antreiben, im wesentlichen untereinander identisch. Demnach wird der Stromregler 62 so beschrieben, dass seine Beschreibung auch auf die Stromregler 64 und 66 bezogen werden kann. Der Ausgang 74 des Verstärkers 68 ist mit dem Summierkreis 76 eines PWM-Regelkreises gekoppelt, der allgemein durch den Funktionsblock 80 dargestellt wird. Der Ausgang 82 des PWM-Regelkreises 80 ist mit dem Wechselrichter 84 gekoppelt, der an seinem Ausgang 86 den Motorphasenwicklungs-Antriebsstrom liefert, dessen Grösse und Wellenform in Übereinstimmung mit der gewünschten Kompensation der Rotorstellung des Motors 88 ist. Der Ausgang 86 des Wechselrichters 84 ist auch mit einem zweiten Eingang des Summierkreises 76 über die Rückkopplungssschleife 92 gekoppelt, wird mit dem gewünschten Eingangssignal am Ausgang 74 des Verstärkers 68 verglichen und erzeugt dann wiederum ein Fehlerdifferenzsignal am Ausgang 78, um den PWM- Regelkreis in Gang zu setzen, damit am Wechselrichter 84 der gewünschte Stromausgang erreicht wird.
Der Stromregler 64 umfasst den Ausgang 94 des Verstärkers 70, gekoppelt mit dem Summierkreis 96, wobei der Ausgang 98 mit dem PWM-Regelkreis 100 verbunden ist. Der Ausgang 102 des PWM-Regelkreises 100 ist mit dem Wechselrichter 104 gekoppelt, über dessen Ausgang 106 der Motorphasenwicklungs-Antriebsstrom die entsprechende Phase des Motors 88 erregt und mit dem Eingang 108 des Summierkreises 96 via die Rückkoppelungsschleife 110 gekoppelt wird.
Der Stromregler 66 umfasst den Ausgang 112 des Verstärkers 72, gekoppelt mit dem Summierkreis 114, dessen Ausgang 116 das Differenzsignal zwischen dem Eingangssignal 112 und dem Rückkopplungssignal beim Eingang 126 ist, welches vom Ausgang 124 des Wechselrichters 122 via die Rückkopplungsschleife 128 geliefert wird.
Ein programmierbarer Festspeicher (PROM) 136 speichert Informationen in einem Digitalformat und ist repräsentativ für die relative Stromamplitudencharakteristik als eine Funktion der Rotorstellung. Dic Rotorstellung des Motors kann durch übliche bekannte Methoden wie optische oder magnetische Kodierer abgetastet werden, welche direkt mit dem Rotor des Motors gekoppelt sein können oder welche Sensoren auf dem Rotor detektieren können. Für den Zweck der vorliegenden Beschreibung ist hinreichend, dass ein Signal, welches die Rotorwinkelstellung des Motors repräsentiert, bestimmt und in der Rückkoppelungsschleife 138 für jede Rotorwinkelstellung, für die ein Ausgang gewünscht wird, zur Verfügung ist. Das verschlüsselte Ausgangssignal wird in einen Eingang 140 des PROM 136 gespiesen und wirkt als Eingangsadresse zum PROM, damit auf Informationen zurückgegriffen werden kann, die an einer entsprechenden Stelle des Speichers zur Ausgabe an die Verstärker gespeichert sind. Der PROM 136 hat einen ersten Ausgang 142, der an den Eingang 144 des Verstärkers 68 angeschlossen ist. Ein zweiter Ausgang 146 des PROM 136 ist mit dem Eingang 148 des Verstärkers 70 verbunden, und ein dritter Ausgang 150 des PROM 136 ist mit einem Eingang 152 des Verstärkers 72 verbunden. Es ist möglich, einen einzigen PROM zu verwenden, wie dies in Fig. 1 dargestellt ist; zuzuschreiben ist dies der Periodizität der Stromamplitudenfunktion sowie den allgemeinen Symmetrien in einem elektrischen Motor durch Erzeugung einer relativen Stromamplituden-Funktionscharakteristik und durch Schaltung des Registers, das die Information durch einen im voraus bestimmten Faktor für jede Phase steuert. Der PROM 136 kann auch einen unterteilten Speicher haben, in welchem die relative Stromamplitudencharakteristik für jede Phase zum späteren Gebrauch gespeichert ist und von anderen Phasen abweichen kann, damit Phasenasymmetrien oder anderes kompensiert werden kann.
In Einzelfällen, wo von Moment zu Moment Berechnungen nötig sind, um das globale Stromkompensations-Funktionssignal zu bestimmen, ist es wünschenswert, positionsabhängige Informationen an einem Ort zu speichern, um einen effizienten Betrieb sicherzustellen. Die Berechnung kann einmal für jedes Zeitinkrement durchgeführt werden, und der Steuerstrom kann durch Verstärkung bei jedem Zeitinkrement bestimmt werden. Wie im Funktionsblockdiagramm gemäss Fig. 1 erläutert wird, greift man auf die charakteristische Information der globalen Stromkompensation zu; diese wird im Speicher wiederaufgefunden und via den Eingang 56 zum Verstärker 54 geliefert, in Übereinstimmung mit dem Ausgangs-Rotorverschlüsselungssignal, das via Rückkoppelungsschleife 138 dem Eingang 154 zugeführt wird. Zusätzliche Eingänge, allgemein mit 156 bezeichnet, können auch in Verbindung mit dem Rotorverschlüsselungssignal benutzt werden, um Zugriff zu verschiedenen Stromkompensationscharakteristiken zu gewinnen, die im globalen Stromkompensations- PROM gespeichert sind, zwecks Erreichung einer Kompensation, damit Lärm und Drehmomentschwankungen, die anderen Quellen und speziell identifizierten Betriebsbedingungen zugeschrieben werden
In sehr einfachen Fällen, in denen die erforderliche Hauptstrom-Kompensationscharakteristik nur eine Funktion der Rotorstellung ist und nicht vom Strom abhängt, kannder relative Stromamplituden-Funktionswert durch den globalen Kompensationswert einmal vorverstärkt werden und in einer relativen Amplitudenanordnung zum späteren Gebrauch in einer Speichereinheit gespeichert werden. In diesem Fall ist eine separate Speicherung für das globale Kompensationssteuersignal nicht erforderlich. Diese veränderte Anwendungsart wird durch die Vereinfachung des Funktionsblockdiagramms gemäss Fig. 1 unmittelbar erkenntlich.
Ein Verfahren, um den passenden globalen Stromkompensationswert bei Abhängigkeit von Variablen zusätzlich zur Rotorposition zu bestimmen, besteht darin, aus einer multivariablen Tabelle, die im PROM gespeichert ist, zu interpolieren. Wenn zum Beispiel die erforderliche Kompensation nur eine Funktion von Position und Geschwindigkeit ist, kann eine charakteristische Funktion der Kompensation-versus-Position für eine Anzahl von Geschwindigkeitswerten gespeichert werden. In der vorliegenden Beschreibung wird zu jeder derartigen Einzelgeschwindigkeits-Funktionscharakteristik auf eine 'Seite' des Speichers hingewiesen. Wenn die Motorengeschwindigkeit variiert, so kann der Regler diskret von 'Seite' zu 'Seite' schreiten, im allgemeinen mit einer Berechnungshysterese, um ein Abtasten zwischen den 'Seiten' auszuschliessen. Im anderen Fall kann der Regler kontinuierlich zwischen den 'Seiten' interpolieren. Ähnliche Methoden können auch benutzt werden, um Variationen der globalen Stromkompensationscharakteristik mit Bezug auf andere interessierende Variable zu bestimmen.
Die in den PROM-Tabellen zu speichernde Information, die die notwendige Kompensationsfunktion für jede gewünschte Rotorstellung definiert, kann entweder theoretisch oder empirisch bestimmt werden. Der Motorenkonstrukteur kennt die Drehmoment/Ampereversus-Winkel-Charakteristik bereits vor dem Konstruieren des Motors. Die Charakteristik kann nach der Konstruktion des Motors bestätigt werden oder durch Testen des Motors verfeinert werden. Die theoretischen Kompensationswerte, die in den PROM-Tabellen gespeichert sind, sind im allgemeinen für viele Anwendungen ausreichend. Jedenfalls kann die theoretische Transferfunktion Motorendrehmoment/Ampere-versus-Winkel wenn nötig in Übereinstimmung mit einer gewissen Anwendung modifiziert werden, um verschiedene Kompensationswerte zur Speicherung in der PROM-Tabelle zu bilden.
Mit Hinweis auf die Fig. 4 - 9, in welchen eine Anzahl von repräsentativen Wellenformen veranschaulicht und identifiziert sind, werden das Verfahren und die Einrichtung der vorliegenden Erfindung weiter erläutert; die Wellenformen sind das Ergebnis numerischer Simulationen des Betriebes der Erfindung. Fig. 4 stellt eine repräsentative Wellenform der retroaktiven elektromotorischen Kraft (EMF) bei einer gegebenen Motorengeschwindigkeit dar. Die rückläufige Wellenform wird in Tabellenform als Eingangsdaten für die Bestimmung der relativen Stromamplitudenfunktion verwendet. Die Tabelleneinträge, die die retroaktive EMF-Wellenform beschreiben, sind diejenigen eines gegebenen Motors, und sie sind im allgemeinen repräsentativ für die rückläufige EMF in einem Permanentmagnetmotor, dessen Konstruktionsziel die Maximierung des gegenseitigen Magnet-zu-Anker-Flusses ist. Die retroaktive EMF-Wellenform wird im allgemeinen mit 170 bezeichnet und, wie Fachleute leicht einsehen werden, kann sie nicht mit Genauigkeit durch eine Einzelfrequenz- Sinusfunktion angenähert werden.
Fig. 5 zeigt eine sinusförmige Steuerstrom-Wellenform, allgemein mit 172 bezeichnet, die zur Steuerung des PWM-Wechselrichters in der oben beschriebenen Art benutzt werden kann. Der berechnete Ausgang der Antwort des Wechselrichter-Stromkreises wird durch die Wellenform mit der allgemeinen Bezeichnung 174 beschrieben. Es wird sichtbar, dass die Puls-auf-Puls-Antwort des Wechselrichter-Stromkreises, die durch die Wellenform 174 dargestellt wird, der Steuerstromcharakteristik sehr nahekommt; demnach kann erwartet werden, dass das Eingangs-Steuerstrom-Wellensignal genau eingehalten werden kann.
In Fig. 6 wird eine Drehmomentausgangs-Wellenform dargestellt, die allgeimein mit 176 bezeichnet ist. Sie entspricht dem Drehmomentausgang, der in Übereinstimmung mit dem sinusförmigen Steuerstromwellensignal erzeugt wurde, das in Fig. 5 dargestellt ist. Es ist zu beachten, dass die Drehmoment- und die Stromausgangs-Wellencharkteristik abgesehen vom Massstabfaktor identisch sind. Die Drehmomentausgangs-Wellenform (und die Leistungsausgangs-Wellenform) zeigen eine signifikante Schwankung, wenn das Steuerstrom- Wellensignal eine Sinusfunktion ist.
Obwohl es eine Anzahl von spezifischen logischen PWM-Stromkreisen und Steuerungen für Wechselrichter-Antriebsstromkreise gibt, befasst sich die beispielhafte Darstellung, die im oben beschriebenen numerischen Simulationsschema verwendet wird, mit einem Schaltübergang, wann immer der absolute Wert des Ausgangsstroms den absoluten Wert des Steuerstromes übersteigt, dessen System einen BIAS im Tieffrequenzstrom erzeugt. Die Amplitude des Tieffrequenzstroms entspricht etwa dem halben Spitze-zu- Spitze-Wert der PWM-Schwankung. Die Grösse der PWM-Schwankung ist eine Funktion des Ausgangsstroms und der Differenz zwischen der retroaktiven EMF und der Gleichstrom- Busspannung, die im logischen PWM-Stromkreis verwendet wird. Die obigen Faktoren, Ausgangsstrom und retroaktive EMF, die die Schwankungsamplituden bestimmen, sind vorbestimmte Funktionen der Rotorwinkelstellung, und deshalb kann das Steuerstromsignal durch einen Wert, der dem Tieffrequenz-Bias gleich ist, modifiziert werden, um einen Ausgangsstrom zu erzeugen, der der gewünschten Sinusfunktion ohne BIAS genauer angenähert ist. Im typischen Fall eines Motors mit nichtsinusförmiger rückläufiger EMF sieht man, dass ein perfekter sinusförmiger Einfrequenzstrom nicht die optimale Wellenform darstellt, um die Drehmomentschwankungen zu reduzieren.
Die Schwankungen des Drehmomentes und der Ausgangsleistung können gemäss der vorliegenden Erfindung durch Modifikation der Steuerstrom-Wellenform, wie in Fig. 7 dargestellt, vermindert werden. Die modifizierte Steuerstrom-Wellenform wird allgemein mit 178 bezeichnet, und die Ausgangs-Puls-auf-Puls-Antwort des Wechselrichter-Stromkreises wird allgemein durch die Antwortkurve 180 dargestellt. Die Steuerstrom-Wellenform 178 wird unter Verwendung eines Algorithmus bestimmt, und zwar so, dass der Leistungsausgang jeder Phase wie eine quadratische Sinusfunktion der Zeit variiert. Die Tabelleneinträge für die Referenz-Steuerstrom-Wellenform der beschriebenen Anwendungsform werden durch Verwendung der Gleichung
I=P sin²(theta)VbEMF
berechnet, wobei P die erforderliche Spitzenleistung einer Phase darstellt, und deren Leistung 2/3 der mittleren 3-Phasen-Durchschnittskraft beträgt. theta ist eine Zielvariable und rückt gleichförmig von 0º bis 360º vor, während die Rotorstellung durch einen elektrischen Zyklus fortschreitet, und V ist der Wert der retroaktiven EMF bei der Rotorstellung und stimmt mit dem gegebenen Punktwert überein, der in der Stromsteuerungstabelle gespeichert ist.
Die resultierende Drehmomentausgangs-Wellenform, die mit der in Fig. 7 dargestellten, modifizierten Steuerstrom-Wellenform übereinstimmt, ist in Fig. 8 dargestellt und wird allgemein mit 182 bezeichnet. Es ist augenfällig, dass die Schwankungen der Drehmomentausgangs-Wellenform (und auch der Ausgangsleistung) beträchtlich reduziert sind, und dass es kein Drehmoment-Schwankungsvolumen bei der Frequenz der Schwankungen gibt wie beim sinusförmigen Stromsteuersignal gemäss Fig. 5. Die verbleibenden Schwankungen, falls welche vorhanden sind, werden im allgemeinen dem PWM-Steuerstromkreis zugeschrieben und treten mit PWM-Frequenzen auf. Dem Fachmann ist es bekannt, dass verbleibende PWM-Schwankungen des Drehmomentausgangs im wesentlichen durch die Verwendung von herkömmlichen Reduktionsverfahren eliminiert werden können.
In Fig. 9 sind die Drehmomentausgangs- (bzw. Leistungs-) Wellenform 176 gemäss Fig. 6 und die Drehmomentausgangs- (Leistungs-) Wellenform 182 gemäss Fig. 8 vergleichsweise dargestellt, und es wird veranschaulicht, dass die Grösse des Ausgangsdrehmomentes (Leistung), das mit der Steuerstromkorrektur erreicht wird, kleiner ist als das Ausgangsdrehmoment (Leistung), das mit der sinusförmigen Stromwellenform erreicht wird. Die korrigierte Wellenfunktion 182 zeitigt eine signifikant tiefere wirksame Intensität als die Sinus- Stromwellenform 176. Die Steuerstrom-Wellenform, die entsprechend der vorliegenden Erfindung modifiziert wird, kann beträchtlich erhöht werden, und zwar ohne Modifikation der Wellenform, bis zu einer Grösse, die eine durchschnittliche Motorenwicklungserwärmung zur Folge hatwelche dieselbe ist wie bei der sinusförmigen Steuerstrom-Darstellung, und ein Vergleich zwischen dem Ausgangsdrehmoment (der Leistung) zeigt, dass das Ausgangsdrehmoment in den beiden Fällen im wesentlichen äquivalent ist.
Der Fachmann erkennt, dass die obige Darlegung, die auf einer Sinusquadratfunktion der Zeit beruht, auf eine ganze Familie von Anwendungen ausgedehnt werden kann, die Null- Nettodrehmomentschwankungen aufweist. Zusätzliche Funktionen Leistung-versus-Zeit können für jede Phase definiert werden, mit der Charakteristik, dass die 3-Phasenleistung konstant ist und dass der Phasenstrom als eine Funktion der Phasenleistung unter Verwendung einer ähnlichen Methode wie oben beschrieben berechnet werden kann. Die Sinusquadratfunktion wird somit präsentiert, um das Verständnis für und die Erklärung von Verfahren und Einrichtung der Erfindung zu vereinfachen.
Bei einigen Anwendungen kann es nötig sein&sub3; eine Kompensationscharakteristik zu definieren, um grössere Präzision zu erreichen, als mit einer theoretischen Kompensation, die auf den Konstruktionseigenschaften des Motors beruht.. Für Anwendungen, die grössere Präzision erfordern, können die theoretisch bestimmten Kompensationswerte benützt werden, um eine erste Abschätzung eines genaueren Kompensationswertes zu gewinnen. Dann lässt man den Motor laufen und die resultierende Drehmomentschwankung.wird bestimmt und aufgezeichnet. Die theoretisch bestimmte Kompensation wird dann unter Verwendung der aufgezeichneten Drehmomentschwankung anstelle der theoretisch berechneten Drehmomentschwankung modifiziert. Die modifizierten Kompensationswerte werden anschliessend im PROM gespeichert, und der Prozess wird wenn nötig wiederholt, bis Konvergenz erreicht ist. Eine weitere Methode zur Bestimmung der globalen Kompensationsfunktion beginnt mit einer angenommenen Kompensationsfunktion, die aus einer Beschreibung der Elektromotor-Drehmomentschwankungsantwort als mathematische Funktion besteht, welche die geeigneten Symmetrie- und Periodizitätseigenschaften und einen oder mehrere zu Beginn unbekannte Parameter aufweist. Eine solche mathematische Funktion kann zum Beispiel, eine abgestumpfte Fourierreihe sein, die eine Grundwellenperiode von eins-pro-Umdrehung oder eins-pro-Poolpaardurchgang aufweist. Der Motor wird dann in Gang gesetzt, um eine Grundliniencharakteristik zu gewinnen, die die theoretisch bestimmte Kompensationsfunktion benützt. Die Versuchskompensationsfunktion besteht aus der am besten bekannten oder bestimmten Kompensationsfunktion zum gegebenen Zeitpunkt, zuzüglich der Wirkung einer im voraus bestimmten kleinen Variation eines der unbekannten Parameter. Die Differenz zwischen der Antwort auf die am besten bekannten Kompensationsfaktoren und der Antwort auf die Versuchskompensationsfunktion kann der Variation des unbekannten Parameters zugeschrieben werden, welchen man verändert. Die Wirkung von verschiedenen Werten des unbekannten Parameters, der untersucht wird, wird als linear angenommen, und der beste Kompensationswert kann für Parameter gewählt werden. Der resultierende Kompensationsfunktionswert wird dann verwendet mit dem erwarteten Resultat, dass das verfeinerte globale Kompensationswertergebnis besser ist als die vorherige Kompensationsfunktion, welche bis dahin bekannt war. Die soeben beschriebene Methode wird für jeden der unbekannten Parameter der charakteristischen Grundlinienanordnung wiederholt, solange, bis die globale Kompensationsfunktion zu einem Motorenbetrieb führt, bei dem keine systematischen, stellungsabhängigen Drehmomentschwankungen beobachtet werden.
Bis hierhin wurde die Erfindung auf die Reduktion zyklischer Variationen der von der Rotorstellung abhängigen Drehmomentschwankungen ausgerichtet. Die bisherige Darlegung der vorliegenden Erfindung kann auch angewendet werden, um den Zusammenhang Motorendrehmoment-versus-Winkel von der eigenen Charakteristik in eine andere Charakteristik innerhalb der Verwendbarkeit des elektrischen Motors zu transformieren. Der Motor kann zum Beispiel benutzt werden, um Variationen im Lastdrehmoment, das eine sich repetierende Beziehung zur Rotorstellung hat, zu kompensieren. Ein Beispiel eines physikalischen Phänomens, das unter Verwendung der Technik der vorliegenden Erfindung kompensiert werden kann, ist der Durchgang eines Propellerblattes durch den Ort seiner Abstützung.
Die vorliegende Erfindung kann auch verwendet werden, um andere signifikante Ausgangswerte des Motors, wie die zyklische Bewegung in der Ebene oder die zyklische axiale Bewegung, zu verändern. Die zu kompensierende bzw. zu verändernde Bewegung muss dabei eine gewisse Abhängigkeit von der Stromamplitude und eine zyklische Abhängigkeit von den Rotorwinkeln aufweisen, damit die Technik der vorliegenden Erfindung benutzt werden kann. Demzufolge können verschiedene andere Bewegungen, die von der Rotorposition abhängig sind, entweder individuell oder in Kombination mit der Kompensation der Drehmomentschwankung kompensiert werden.
Ein Verfahren zur Definition der Tabelleneintragungen für das Stromsteuerungs-Eingangssignal entsprechend dem Verfahren der Erfindung wird im Ablaufdiagramm gemäss Fig. 10 dargestellt. Wie schon erläutert, beginnt das Verfahren mit einem Motor, der in seiner beabsichtigten Einrichtung mit einer normalen Ladung läuft und gemäss einer Stromsteuerungscharktenstik, wie oben beschrieben, beeinflusst ist, und der durch den allgemein mit 184 bezeichneten Block dargestellt ist. Man lässt den Motor mit einer konstante Geschwindigkeit laufen, und das Drehmoment sowie eine Variable, wie zum Beispiel eine Vibration, die durch das Drehmoment oder eine andere zyklische elektromognetische Interaktion im Motor erzeugt wird, werden aufgezeichnet. Das Drehmomentsignal wird mit einer Anzahl von Basisfunktionen wie Sinus- und Cosinusfunktionen bei ganzzahligen Vielfachen der Rotorfrequenzen korreliert. Die Eintragungen in der Stromsteuerungstabelle werden dann verändert, um eine Überlagerung der Originalstromsteuerwerte mit einer Komponente, die ein 3-Phasen-Drehmoment erzeugt, das wie eine der Basisfunktionen variiert, zu bewirken. Der Wechsel des Stromsteuerwertes wird durch den Funktionsblock 186 dargestellt, und die Antwort des Motors wird wieder gemessen und mit der Basisfunktion korreliert. Änderungen der Antwort werden der Veränderung der Werte der Tabelleneintragungen zugeschrieben. Ein Set von Funktionen, das die Antworten des Motors beeinflusst, kann daraus bestimmt werden. Im Fall der Sinus- und Kosinusfunktionen wird die Veränderung der Antwort überwiegend in der Sinus- und Cosinusfunktion der gleichen Frequenz wie die Veränderung der Tabellenwerte sein. Wenn eine ausreichende Anzahl von Funktionen, die die Antwort beeinflussen, bestimmt ist, so lassen sich die Steuerstrom-Tabellenwerte berechnen und vermutlich lässt sich die Antwort verbessern. Das Verfahren, das im Ablaufdiagramm gemäss Fig. 10 dargestellt ist, benutzt den Fall von Sinusförmigen Basisfunktionen, wobei das Ziel darin besteht, jede Komponente der Antwort mit einer Periode von 2r/n zu eliminieren. Eine Anzahl von Iterationen können im Zusammenhang mit dem Verfahren durchgeführt werden, bis keine weitere Verbesserung erforderlich ist oder bis der Lärm oder nicht-repetitive Faktoren es verunmöglichen, die verschiedenartigen einzelnen Komponenten der beobachteten Antwort zu bestimmen.
Ein weiteres Merkmal der vorliegenden Erfindung bezieht sich auf die Fähigkeit, die globalen Stromkompensationswerte zu redefinieren, die während des Beginns der Standzeit des Motors und des Systems, in welchem der Motor verwendet wird, bestimmt wurden. Einige Veränderungen erscheinen langsam im Laufe der Zeit, zum Beispiel Kavitationserosion eines Laufrades oder Abnutzung in einem Lager, wodurch die ursprünglich kompensierte Motorcharakteristik verändert wird. Vom praktischen Standpunkt aus ist offensichtlich das erneute Testen und das Neubestimmen der Werte, die in der PROM-Tabelle gespeichert sein müssen, mit Kosten verbunden. Demzufolge müssen die zu erzielenden Vorteile und die Kosten, die bei der Erstellung eines neuen Sets von Kompensationswerten anfallen, gegeneinander abgewogen werden.

Claims

1. Gerät zur Steuerung von Drehmoment und Drehmomentschwankungen in einem Mehrphasen-Permanentmagnet-Axialfeldmotor, wobei das genannte Gerät umfasst

- Mittel zur Verfügbarmachung eines Eingangsstromsignals, das demjenigen elektrischen Strom entspricht, der im Motor (88) ein gewünschtes Ausgangs-Drehmoment erzeugt;

- erste Speichermittel (136) zur Abspeicherung einer später zu benützenden Tabelle von Werten von Strom-Amplitudenfaktoren für jede einer Anzahl von Rotor-Winkelstellungen des Motors (88), wobei der genannte Strom-Amplitudenfaktor für jede der genannten Rotor-Winkelstellungen einen Multiplikationsfaktor definiert, der auf ein zweites Stromregelungssignal angewendet wird, um ein Stromregelungs-Kontrollsignal für jede der genannten Anzahl der Rotor-Winkelstellungen zu erzeugen;

- erste Multiplikationsmittel (68, 70, 72) zur Multiplikation des genannten zweiten Stromregelungssignals mit dem genannten Strom-Amplitudenfaktor zur Erzeugung des genannten Stromregelungs-Kontrollsignals; sowie

- Mittel (62, 64, 66) zur Erzeugung eines Treiberstromes für jede Phase des Motors (88) in Reaktion auf das genannte Stromregelungs-Kontrollsignal bei jeder der genannten Anzahl der Rotor-Winkelstellungen, derart dass das Ausgangs-Drehmoment des Motors (88) die gewünschte Grösse und eine schwankungsfreie Charakteristik aufweist,

- wobei die genannten Mittel (62, 64, 66) zur Erzeugung eines Treiberstroms einen PWM (Pulsweitenmodulations)-Regelungs-Kontrollkreis (80, 100, 118) umfassen;

- zweite Speichermittel (58) zur Abspeicherung einer später abzulesenden Tabelle von Werten entsprechend Kompensationsfaktoren für jede einer Anzahl von Rotor- Winkelstellungen des Motors (88), wobei der genannte Kompensationsfaktor für jede der genannten Rotor-Winkelstellen einen Modifikationswert zur Anwendung auf das genannte Eingangsstromsignal definiert, zwecks Erzeugung eines im wesentlichen schwankungsfreien Ausgangsdrehmomentes des Motors (88);

- zweite Multiplikationsmittel (54) zur Multiplikation des genannten Eingangsstromsignals mit dem genannten Modifikationswert, zur Erzeugung des genannten Stromregelungssignals;

- eine Summationsschaltung (76, 96, 114), deren erster Eingang mit einem Ausgang (74, 94, 112) der genannten ersten Multiplikationsmittel (68, 70, 72) verbunden ist, und die einen Ausgang (78, 98, 116) besitzt, der an den genannten PWM-Regelungs-Kontrollkreis (80, 100, 118) angekoppelt ist;

- wobei der genannte PWM-Regelungs-Kontrollkreis (80, 100, 118) einen Ausgang (82, 102, 120) besitzt, der mit einem Inverter (84, 104, 122) gekoppelt ist, welcher an seinem Ausgang (86,106, 124) den Motorphasenwicklungs-Treiberstrom erzeugt; und

- eine Rückkopplungsschleife (92, 110, 128), die mit dem Ausgang (86, 106, 124) des Inverters (84, 110, 122) und einem zweiten Eingang (90, 108, 126) der Summationsschaltung (76, 96, 114) verbunden ist.

2. Gerät zur Steuerung von Drehmoment und Drehmomentschwankungen nach Patentanspruch 1, in welchem der genannte Wert des genannten Kompensationsfaktors für jede der genannten Anzahl der Rotor-Winkelstellungen für mindestens eine zur gesamten Drehmomentschwankung beitragende Quelle von Drehmomentschwankungen identifiziert ist.

3. Gerät zur Steuerung von Drehmoment und Drehmomentschwankungen nach Patentanspruch 1, in welchem die Grösse jedes der genannten Kompensationsfaktoren auf einem entsprechenden Speicherplatz gespeichert ist, dessen Adresse direkt von der spezifischen Rotor-Winkelstellung des Motors, für welche der Kompensationsfaktor bestimmt ist, abhängig ist.

4. Gerät zur Regelung von Drehmoment und Drehmomentschwankungen nach Patentanspruch 3, in welchem die Grösse jedes der genannten Multiplikationsfaktoren auf einem entsprechenden Speicherplatz gespeichert ist, dessen Adresse direkt von der spezifischen Rotor-Winkelstellung des Motors (88), für welche der Multiplikationsfaktor bestimmt ist, abhängig ist.

5. Verfahren zur Steuerung von Drehmoment und Drehmomentschwankungen in einem Mehrphasen-Permanentmagnet-Axialfeldmotor, mit den Schritten

- der Verfügbarmachung eines Eingangsstromsignals, das demjenigen elektrischen Strom entspricht, der im Motor (88) ein gewünschtes Ausgangs-Drehmoment erzeugt;

- des Abspeicherns in einem ersten Speicher (136), zum Abspeichern einer später zu benutzenden Tabelle von von Werten, die den Strom-Amplitudenfaktoren für jede einer Anzahl von Rotor-Winkelstellungen des Motors (88) entsprechen, wobei der genannte Strom- Amplitudenfaktor für jede der genannten Anzahl der Rotor-Winkelstellungen einen Multiplikationsfaktor definiert, der bei Anwendung auf ein zweites Stromregelungssignal der Erzeugung eines Stromregelungs-Kontrollsignals für jede der genannten Rotor- Winkelstellungen dient;

- der Multiplikation des genannten zweiten Stromregelungssignals mit dem genannten Stromamplitudenfaktor, der aus dem genannten ersten Speicher (136) entnommen wird, zur Erzeugung des genannten Stromregelungs-Kontrollsignals für jede der genannten Anzahl der Rotor-Winkelstellungen, sowie

- der Erzeugung eines Treiberstromes für jede Phase des Motors (88) in Reaktion auf das genannte Stromregelungs-Kontrollsignal für jede der genannten Anzahl der Rotor- Winkelstellungen, wobei das Ausgangsdrehmoment des Motors (88) einen gewünschten Wert und eine schwankungsfreie Charakteristik besitzt;

- des Abspeicherns einer Tabelle von Werten zwecks späterer Benützung, die den Kompensations-Faktoren für jede einer Anzahl von Rotor-Winkelstellungen des Motors (88) entsprechen, wobei der genannte Kompensationsfaktor für jede der genannten Anzahl der Rotor-Winkelstellungen einen Modifikationswert definiert, der bei Anwendung auf das genannte Eingangsstromsignal bewirkt, dass der Motor (88) ein im wesentlichen schwankungsfreies Ausgangs-Drehmoment erzeugt;

- der Multiplikation des genannten Eingangsstrom-Signals mit dem genannten Modifikationswert bei jeder der genannten Anzahl der Rotor-Winkelstellungen, zwecks Erzeugung des genannten zweiten Stromregelungssignals; und

- der Rückkopplung des genannten Treiberstroms vom Ausgang (86, 106, 124) des Inverters (84, 104, 122) und zu einem zweiten Eingang (90, 108, 126) einer Summationsschaltung (76, 96, 114) und dem Vergleich mit dem genannten Stromregelungs-Kontrollsignal am Ausgang (74, 94, 112) von ersten Multiplikationsmitteln (68, 70, 72), sowie der folgenden Erzeugung eines Abweichungs-Differenzsignals am Ausgang (78, 98, 116) zur Steuerung des PWM-Kontrollschaltkreises (80, 100, 118) zwecks Erzielung des gewünschten Strom-Ausgangswertes am Inverter.