DE69400681T2

DE69400681T2 - Steuerungssystem mit Kodiergerät zur Erfassung der Ankerstellung in einer elektrischen Maschine

Info

Publication number: DE69400681T2
Application number: DE69400681T
Authority: DE
Inventors: Geoffrey Thomas Hemingbrough North Yorkshire Yo8 7Re Brown; Steven Paul Leeds West Yorkshire Ls6 3Pd Randall; David Mark Leeds West Yorkshire Ls6 3Pd Sudgen; William Leeds West Yorkshire Ls12 4Bb Vail
Original assignee: Switched Reluctance Drives Ltd
Current assignee: Nidec SR Drives Ltd
Priority date: 1993-06-07
Filing date: 1994-06-07
Publication date: 1997-02-13
Anticipated expiration: 2014-06-08
Also published as: EP0713286A2; EP0802620B1; EP0630097A3; EP0802620A1; DE69408850D1; SG44351A1; DE69408850T2; EP0713286A3; DE69400681D1; US5539293A; ES2113154T3; EP0713286B1; EP0630097B1; US5637972A; DE69433096T2; ES2092861T3; EP0630097A2; DE69433096D1; GB9311694D0

Description

Die Erfindung betrifft ein Steuerungssystem und ein Verfahren für elektrische Maschinen, bei der eine Codiereinrichtung verwendet wird, von der die Position des Rotors relativ zu dem Stator herleitbar ist. Die Erfindung ist speziell - obwohl nicht exklusiv - für geschaltete Reluktanz-Maschinen (Switched Reluctance - SR) anwendbar.
Der geschaltete Reluktanz-Antrieb ist ein Antriebssystem, das in der Geschwindigkeitseinstellung variabel ist, mit einem geschalteten Reluktanzmotor, der von einem Leistungselektronikwandler unter der Steuerung einer Niederleistung-Steuerelektronik versorgt wird. Der Motor hat sowohl auf dem Stator als auch auf dem Rotor hervorstehende Pole, die typischerweise mit einer Erregerspule um jeden Statorpol versehen sind. Diese Erregerspulen sind so gruppiert, daß sie eine oder mehrere Phasenwicklungen bilden. Der elektrische Strom in den Wicklungen wird normalerweise durch elektronische Leistungsschalter an- und abgeschaltet.
Das Timing des Schaltens des Stroms in den Wicklungen wird in Relation zu den relativen Winkelpositionen der Stator- und Rotorpole gesteuert. Diese relative Position kann durch einen Meßwandler für die Rotorposition ermittelt werden, der aus einem rotierenden Teil und einem stationären Sensor besteht, der Signale an die elektronische Steuerung abgibt. In Ein- und Zwei- Phasensystemen ist nur ein Sensor erforderlich, aber Motoren mit mehr als zwei Phasen verwenden gemäß dem Stand der Technik gewöhnlich mehr als einen Sensor.
In Fig. 1 ist eine schematische Ansicht eines typischen Drei-Phasen-SR-Motors gezeigt, der sechs Statorpole und vier Rotorpole besitzt. Die Pole, die die Spulen A und A' führen, haben eine gegenteilige magnetische Polarisation. Die Phasen B und C sind ähnlich gebildet.
Ein Rotorpositions-Meßwandler (Rotor Position Transducer - RPT) wird verwendet, um zu gewährleisten, daß der Strom in den Phasenwicklungen zu geeigneten Drehwinkeln an- und ausgeschaltet wird. Die Fig. 2a zeigt ein typisches System, das aus einer rotierenden geschlitzten Scheibe und drei optischen Sensoren besteht, die durch die Rotation der Scheibe geschaltet werden.
Die Fig. 2b zeigt den idealisierten Wechsel der Induktionen der Phasenwicklungen als Funktionen des Rotationswinkels 0. Das positive Drehmoment ist so definiert, daß es in die Bewegungsrichtung des Rotors in die Richtung des positiv ansteigenden 0 wirkt. Ein solches Drehmoment wird durch jede Phase erzeugt, wenn die Wicklung dieser Phase mit Strom beaufschlagt ist und der Rotationswinkel so ist, daß die Induktion mit steigendem θ ansteigt. Ein negatives Drehmoment wird erzeugt, wenn eine Phase während des Teils des Induktionskreislaufs mit Strom beaufschlagt wird, in dem die Induktion mit steigendem θ abfallt (oder ansteigt mit abfallenden θ).
Es ist daher offensichtlich, daß für den normalen positiven Drehmomentbetrieb in Richtung des ansteigenden 0 (die Vorwärtsrichtung) jede Phase wieder erregt wird, wenn ihre Induktion ansteigt. Die Fig. 2b zeigt also die drei Ausgangssignale des Sensors entsprechend dem Stand der Technik. Im allgemeinen besteht der Rotorpositions-Meßwandler (RPT) aus drei Sensoren, die beispielsweise optisch, magnetisch oder induktiv sein können, die mit einem Rotationsteil, beispielsweise einer Scheibe mit Aussparungsschlitzen kooperieren, um Signale zu erzeugen, wie sie in Fig. 2b als RPTA, RPTB und RPTC gezeigt sind. Folglich ändert sich das Signal RPTA von 0 zu einem positiven Wert in der Mitte des minimalen Induktionsbereichs der Phase A und fällt bei der maximalen Induktionsposition der Phase A wieder auf 0 zurück. Die Signale RPTB und RPTC verhalten sich in derselben Weise für die Phasen B bzw. C. Es ist klar, daß wenn der Rotor aus seiner Ruhestellung in entweder die Vorwärts- oder Rückwärtsrichtung startet oder in eine der Richtungen läuft, die RPT-Signale die Steuerelektronik in die Lage versetzen, die richtige Phasenwicklung über den richtigen Rotationswinkel anzuregen, um ein Drehmoment in die gewünschte Richtung zu erzeugen.
Das durch den Motor entwickelte Drehmoment kann bei niedrigen Geschwindigkeiten durch die Einstellung der Stromstärke in den Phasenwicklungen über den festen Winkel, der durch die jeweiligen positiven oder negativen RPT- Signale definiert wird, in Abhängigkeit von der gewünschten Richtung des Drehmoments steuern. Bei hohen Geschwindigkeiten wird das Drehmoment normalerweise über das Einstellen des Winkels, über den eine Phasenwicklung an die Stromversorgung angeschlossen wird, und den Winkel im Hinblick auf den Induktionskreislauf, bei dem das Schalten stattfindet, beispielsweise durch das Timing des An- und Abschaltens der Phasenerregung mit Bezug auf die RPT-Signale, gesteuert.
Aus der Fig. 2b ist ersichtlich, daß die kombinierten RPT-Signale verwendet werden können, um die Rotorposition zu einem Sechstel einer Phasenperiode zu bestimmen, und folglich eine 15º-Auflösung zu schaffen. Für eine verfeinerte Steuerung der Schaltwinkel kann jeder der sechs Bereiche interpoliert werden, beispielsweise durch die Verwendung einer hochfrequenten Impulsfolge, die phasenstarr mit den niederfrequenten RPT-Signalen ist, wie in der GB 15 97 790 (Stephenson) beschrieben ist.
Die US 49 90 843 (Moren) beschreibt ein Verfahren, bei dem die drei Fühler der Fig. 2a durch einen einzigen Fühler ersetzt werden können. Die Drehscheibe beinhaltet sechs oder zwölf Schlitze, die ein Sensorsignal, das jeweils eine steigende oder fallende Kante alle 30º der Rotation oder eine fallende Kante alle 30º der Rotation besitzt, ausgibt, das verwendet werden kann, um den Strom in den Phasenwicklungen des Motors zu schalten. Dieses Verfahren leidet jedoch an dem ernsthaften Nachteil, daß ein korrektes Takten der Beziehung zwischen den Kanten und den Phasen aufgrund von elektrischen Störungen, beispielsweise in dem Sensorsignal, verlorengehen kann.
Die EP-A-0 378 351 offenbart einen relativen Positionsmeßwandler zur Ermittlung der Winkelposition eines ersten Teils relativ zu einem zweiten Teil. Ein Lesekopf oszilliert und kann dabei Sequenzen von codierten Daten auf einer Spur, die so montiert ist, daß sie sich mit dem ersten Teil dreht, lesen. Dies ermöglicht dem Lesekopf ein dekodierbares Signal bereitzustellen, wenn das erste Teil stationär ist.
Der Stand der Technik stellt ein Steuersystem für eine elektrische Maschine mit einem Rotor, der Rotorpole bildet, die so angeordnet sind, daß sie relativ zu einem Stator rotieren, wobei das System eine Steuerung mit Signalspeichermitteln, Schaltmitteln für die oder jede Phase der Maschine aufweist, wobei die Schaltmittel durch die Steuerung entsprechend der Position des Rotors relativ zu dem Stator betätigbar sind, einer Codiereinrichtung mit einem Satz von Kennzeichnungen, die so angeordnet sind, daß sie sich mit dem Rotor drehen und einem einzelnen Sensor, der in einer relativ zu dem Stator festen Position angeordnet ist, um durch die Kennzeichnungen beeinflußt zu werden, wenn sie sich mit dem Rotor drehen, um eine Ausgangsgröße zu erzeugen, wobei die Kennzeichnungen, die die Ausgangsgröße des Sensors in der Form eines Digitalcodes bilden, der zu den Speichermitteln geleitet wird, und der Code durch die Steuerung dekodierbar ist, um die Positionen der Rotorpole relativ zu dem Stator anzuzeigen, bereit.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung verbesserte Mittel bereitzustellen, durch die eine vereinfachte Detektoranordnung für Motoren mit einer, zwei oder mehr Phasen mit konsequenten Vorteilen der Vereinfachung des Systems und der Wirtschaftlichkeit im Hinblick auf die Kosten verwendet werden kann.
Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Kennzeichnungen erste Teile zur Beeinflussung der Ausgangsgröße für den Sensor haben, die in regelmäßigen Winkelabstandspositionen angeordnet sind, und zweite Teile zur Beeinflussung der Ausgangsgröße für den Sensor haben, die in unregelmäßig beabstandeten Winkelpositionen angeordnet sind, und die Winkelpositionen der zweiten Teile relativ zu den ersten Teilen durch die Steuerung als eine Sequenz dekodierbar sind, so daß die Position des Rotors relativ zu dem Stator durch die Sequenz ermittelbar ist.
Mit "Phaseninduktionskreislauf" ist die Induktion der Maschine aus der Sicht der Anschlüsse der oder jeder Phasenwicklung gemeint. Die Phaseninduktion ist eine Funktion der Rotorposition und wechselt zyklisch innerhalb des Rotorzykluses zwischen gegebenen Induktionswerten, beispielsweise Induktionsmaxima oder Induktionsminima.
Die Dauer der Sequenz kann mit der Dauer des Phaseninduktionskreislaufs übereinstimmen. Die Dauer der Sequenz kann genauso gut auch ein Teil der Dauer des Phaseninduktionskreislaufs sein oder er kann periodisch mit einer Umdrehung des Rotors sein. In jedem dieser Fälle ist der Zustand der Sequenz dekodierbar, um die Rotorposition innerhalb des Phaseninduktionskreislaufs zu bestimmen.
Die regelmäßig beabstandeten ersten Teile können mit den leistungsschaltenden Betätigungspositionen oder andernfalls die Positionen der rotierenden Rotorpole, von denen Anzeigen zum Timing des Schaltens hergeleitet werden können, übereinstimmen und die zweiten Teile erzeugen den Code durch ihre jeweilige Position relativ zu den benachbarten Teilen. Der Code kann auch dafür verwendet werden, die Rotorposition zu überprüfen und sie zu bestimmen. Beispielsweise wäre das Zählen von den ersten Teilen des Codes fehlerhaft, wenn eine elektrische Störungsspitze die Ausgangsgröße des Sensors verfälscht hat. Die Wiederherstellung eines korrekten Codes kann auch dafür verwendet werden, die Position des Rotors relativ zu dem Stator herzustellen und die von den passierenden ersten Teilen gezählte Lageinformation zu korrigieren.
Vorzugsweise sind die ersten und zweiten Teile der Kennzeichnungen der Codiereinrichtung miteinander verbunden, so daß die zweiten Teile zwischen den ersten Teilen liegen. Dies ist jedoch nicht entscheidend. Bei der Verwendung von zwei Sensoren kann die Codiereinrichtung einen ersten Codierbereich, der im Verhältnis zu den ersten Teilen steht, und einen separaten Bereich, der im Verhältnis zu den zweiten Teilen steht, die unabhängig von den Positionen der ersten Teile eine Sequenz definieren, haben.
Die Codiereinrichtung ist geeigneterweise ein scheibenförmiges Teil, das auf einer Rotorwelle montierbar ist. Die Kennzeichnungen können den Sensor magnetisch, mittels des Halleffekts, durch lichtdurchlässige/nicht durchlässige Teile oder lichtreflektierende /absorbierende Teile, durch kapazitive oder induktive Effekte oder durch andere bekannte Mittel beeinflussen.
Ein Vorteil der Erfindung ist, daß nur ein Detektor erforderlich ist, um zuverlässig die Position des Rotors relativ zu dem Stator zu bestimmen. Wenn die zweiten Teile relativ zu den ersten Teilen positioniert werden, ist nur ein Sensor erforderlich, um sowohl das Timing des Schaltens für die Schaltmittel der elektrischen Maschine als auch die Position des Rotors relativ zu dem Stator zu bestimmen. Von einem Sensor ist es auch möglich, festzustellen, wenn ein Fehler in der Ausgangsgröße des Sensors für die Rototposition induziert wird, und die richtige Information über die Rotorposition von den folgenden Ausgangsgrößen von dem Sensor wiederherzustellen.
Der Sensor kann so angeordnet sein, daß er eine Signalübertragung, beispielsweise einen ansteigenden oder fallenden Impuls, bereitstellt, um das Passieren der ersten und zweiten Teile der Kennzeichnungen anzuzeigen. Vorzugsweise zeigen die Übertragungen in einem Sinn die ersten Teile und die dazwischenhegenden Übertragungen in dem gegenteiligen Sinn die zweiten Teile an. Alternativ können auch die nachfolgenden Übertragungen in derselben Weise verwendet werden, um das Passieren der ersten und zweiten Teile der Kennzeichnungen alternierend anzuzeigen.
Die Steuermittel können auch Zeitmittel zur Bestimmung des Intervalls zwischen Übergängen und Dekodiermittel, die so angeordnet sind, um die Intervalle zwischen den Übergängen in der Sequenz zu dekodieren, aufweisen. Beispielsweise können die Dekodiermittel so betrieben werden, daß sie zwischen binären Zuständen auf der Basis der Intervalle zwischen den Übergängen unterscheiden können, wobei das bestimmte Intervall relativ zu der Rotationsgeschwindigkeit des Rotors bestimmt wird.
Vorzugsweise weisen die Mittel Schiftregistermittel zum Empfang der, wenn der Rotor sich dreht, serienmäßigen Sequenzen auf. Das Schiftregister ist durch die Steuermittel lesbar, um den Zustand der Sequenz zu bestimmen.
Die Erfindung erstreckt sich auch auf ein Verfahren zur Steuerung einer elektrischen Maschine mit einer Codiereinrichtung, die einen Positionscode für einen Rotor einer elektrischen Maschine relativ zu ihrem Stator bildet, und einem einzelnen Sensor, wobei die Codiereinrichtung einen Satz an Kennzeichnungen aufweist, die so angeordnet sind, daß sie sich mit dem Rotor drehen, um die Ausgangsgröße des Sensors zu beeinflussen, wobei die Kennzeichnungen erste Teile zur Beeinflussung der Ausgangsgröße des Sensors besitzen, die in regelmäßig beabstandeten Winkelpositionen angeordnet sind, und zweite Teile zur Beeinflussung der Ausgangsgröße eines Sensors besitzen, die in unregelmäßig beabstandeten Winkelpositionen angeordnet sind, wobei die Winkelpositionen der zweiten Teile relativ zu den ersten Teilen als Sequenz dekodierbar sind, so daß die Position des Rotors relativ zu dem Stator durch die Sequenz ermittelbar ist, wobei das Verfahren das Abtasten der Bewegung der Kennzeichnungen am Sensor, die Dekodierung der Sequenz von den zweiten Teilen der Kennzeichnungen, das Bestimmen der Positionen des Rotors relativ zu dem Stator entsprechend der Lage der Sequenz und das Timing des Schaltens der Maschine entsprechend den ersten Teilen der Kennzeichnungen, die den Sensor passieren, umfaßt.
Vorzugsweise wird das Passieren der ersten Teile als laufende Größe verwendet, um eine gleichzeitige Übersicht über die Position des Rotors relativ zu dem Stator zu erhalten, wobei die Codesequenz verwendet wird, um die Information über die Rotorposition im Falle, daß die Information verlorengeht oder verfälscht ist, herzuleiten oder wiederherzustellen.
Diese und andere Merkmale der Erfindung werden in den beigefügten Ansprüchen gekennzeichnet.
Die vorliegende Erfindung kann auf verschiedene Arten in die Praxis umgesetzt werden, von denen einige beispielhaft mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben werden. Es zeigen:
Fig. 3 ein Steuerungsdiagramm für die Ausgangsgröße des Sensors aufgrund der Rotorposition entsprechend der Erfindung;
Fig. 4 ein Steuerungsdiagramm für das Starten eines Motors - der nach der Erfindung gesteuert wird;
Fig. 5 ein Steuerungsdiagramm mit einer Modifikation des Startprozesses;
Fig. 6 ein Kreisschaltbild eines Motorsteuerkreises für einen geschalteten Reluktanzmotor; und
Fig. 7 eine erfindungsgemäße Codiereinrichtung.
Mit Bezug auf die Fig. 6 und 7 weist ein Steuersystem für einen geschalteten Reluktanzmotor einen Gleichrichtungs- und Angleichschaltkreis 10 auf, der an einen Wechselstromnetzeingang angeschlossen ist. Der angeglichene und gleichgerichtete Gleichstromausgang von dem Schaltkreis 10 ist an einen Leistungswandler 12 angeschlossen, der eine geschaltete Drei-Phasen-Versorgung für einen geschalteten Drei-Phasen-Reluktanzmotor 14 mit sechs Statorpolen und vier Rotorpolen wie in Fig. 1 gezeigt ist, bereitstellt. Der Leistungswandler besitzt einen Satz von Phasenleistungsschaltern, wie elektronische Schalter eines Leistungstransistors, die die Versorgung mit Gleichstrom an die drei Phasen des Motors weiterleiten.
Ein Rotorpositionssensor 16 ist am Umfang einer Wellencodiereinrichtung 18 angeordnet, die so montiert ist, daß sie sich mit der Rotorwelle 19 dreht (siehe Fig. 7). Der Sensor 16 kann ein Halleffektsensor oder ein optischer Sensor sein. Die Codiereinrichtung ist ntit einer Sequenz von Kennzeichnungen von Markierungen und Lücken 20, 22 gebildet. Im Fall, daß ein Halleffektsensor vorgesehen ist, können diese durch eine Sequenz von Stegen und Aussparungen gebildet werden, die jeweils näher bzw. weiter entfernt von der Abtastfläche des Sensors 16 sind oder sie können durch eine Sequenz von codierten magnetisierten Bereichen in der Laufbahn des Sensors gebildet werden. Im Fall, daß ein optischer Sensor vorgesehen ist, ist eine Lichtquelle vorhanden, und die Markierungen und Lücken können jeweils durch lichtabsorbierende und lichtreflektierende Teile oder das Licht passierende Schlitze und das Licht blockierende Träger gebildet werden. Natürlich können auch andere Formen von Sensoren, wie ein Kapazitätssensor, für den gleichen Effekt verwendet werden.
Die Signale von dem Sensor werden an eine auf einem Mikroprozessor basierende Steuerung 24 übermittelt. Auf der Grundlage der von dem Sensor erhaltenen Informationen, der Rückkopplung von den Leistungsschaltern in Form von den phasenstromabtastenden Signalen und den Antriebsanweisungen des Verwenders gibt die Steuerung 24 Signale an die Leistungsschalter. Es ist für einen Fachmann möglich, daß andere Formen von Steuerungen, wie fest verdrahtete logische Steuerungen, in Erwägung gezogen werden.
Das Verfahren mit einem Detektor löst das Problem des im Stand der Technik vorkommenden Verlusts der Spur. Die fallenden Impulse (beispielsweise die Hinterkanten, die ein niederes Ausgangssignal von dem Sensor erzeugen), werden in diesem System für den Erhalt von mehr Information über die aktuelle Position und Drehrichtung eingesetzt. Beispielsweise können sie entweder bei einem Viertel oder Dreiviertel des Abstands zwischen den benachbarten ansteigenden Impulsen plaziert werden, um jeweils einen kurzen oder langen Impuls zu erzeugen, wenn der Rotor sich dreht. Diese kurzen und langen Impulse können um die Scheibe in einem wiederkehrenden Muster, das aus sechs mit einer Phasenperiode korrespondierenden Impulsen besteht, angeordnet werden. Die Phasenperiode wiederholt sich alle 90º an der Codiereinrichtung. Das gewählte Muster kann "LLSSLS" sein, wobei L für einen langen Impuls und S für eine kurzen Impuls steht. Um der Dekodierlogik binäre Zahlen zu geben, kann ein langer Impuls als "1" und ein kurzer Impuls als "0" dekodiert werden. Dies führt zu einer Sequenz der Ausgangsgröße von "110010", die sich kontinuierlich wiederholt, wenn die Scheibe sich entlang des Sensors dreht. Die Sequenz der am Umfang angeordneten Markierungen und Lücken der Codiereinrichtung der Fig. 7 ist eine Wiedergabe der Sequenz "110010" entsprechend dieser Konvention. Obwohl ein 6-Bit-Code verwendet wird, ist auch ein 3-Bit-Code geeignet, um die Rotorposition mit ausreichender Auflösung innerhalb der Phasenperiode zu identifizieren. Die zusätzliche Redundanz in der 6-Bit-Sequenz ermöglicht eine verläßlichere Überprüfung von Fehlern.
Wenn der Rotor sich dreht, kann der Code mit den letzten sechs Bits, die gespeichert sind, eingelesen werden. Der Code kann auf den neuesten Stand gebracht werden, wenn jeweils ein ansteigender Impuls empfangen wird. Der Zustand des empfangenen Codes gibt dann die Position des Rotors innerhalb eines Sechstels einer Phasenperiode, wie für das ursprüngliche System mit drei Detektoren, wieder. Die Fig. 3 zeigt beispielhaft den Sensorcode im Verhältnis zu den maximalen und minimalen Induktionspositionen für die drei Phasen. Es ist verständlich, daß der Code mit irgendeiner 15º-Orientierung im Verhältnis zu den Phaseninduktionen positioniert werden könnte.
Während die Codesequenz so angeordnet ist, daß sie sich bei diesem Ausführungsbeispiel in jeder Phase des Induktionskreislaufs an der Codiereinrichtung wiederholt, beispielsweise einmal pro Rotorpol, kann die Information über die Position durch eine längere Codespanne bis zu dem vollen Umfang der Codiereinrichtungsscheibe hergeleitet werden. Die kürzere Sequenz, die mit dem Phaseninduktionskreislauf übereinstimmt, bietet jedoch alle Informationen, die für die Positionierung und das Timing notwendig sind, während die Sequenzperiode ohne Vieldeutigkeiten so kurz wie möglich gehalten wird.
Die durch die Codesequenz hergeleitete Position des Rotors kann mit der durch das Zählen der ansteigenden Impulse der Sensorsignale, wie in dem Basissystem, von einer Ausgangsposition bestimmten Position, verglichen werden. Der Code wiederholt sich und wird serienweise in ein Schiftregister innerhalb der Steuerung geleitet. Daher ermöglicht die konstante Uberwachung des Codes, daß die Steuerung die Rotorposition entsprechend dem Zustand der Sequenz in dem Schiftregister bestimmt. Wenn ein vollständiger korrekter Code empfangen wird, kann angenommen werden, daß er die richtige Position wiedergibt. Wenn diese Position auch mit der gezählten Position übereinstimmt, wird ein richtiger Betrieb bestätigt. Wenn sie nicht mit der gezählten Position übereinstimmt, kann angenommen werden, daß ein Fehler aufgetreten ist und die gezählte Position kann auf den neuesten Stand gebracht werden, um mit der durch die Codesequenz definierten Position übereinzustimmen, und folglich den Fehler zu ermitteln und zu korrigieren. Der Antrieb sollte dann mit dem normalen Betrieb durch das Zählen der ansteigenden Impulse fortfahren. Wenn kein korrekter Code von dem Sensoreingang erhältlich ist (beispielsweise wenn der Code durch elektrische Störungen verfälscht wurde), kann der Antrieb fortgesetzt werden, um durch das Zählen der ansteigenden Impulse betrieben zu werden, oder er kann abgeschaltet werden, um im Leerlauf zu laufen, bis eine korrekte Codesequenz empfangen wird.
Wenn die Drehrichtung umgekehrt wird, kann die Ausgangsgröße des Sensors umgekehrt werden, um die regelmäßig beabstandeten Impulse als ansteigende Impulse zu erhalten. Der empfangene Code ist dann derselbe wie in der Vorwärtsrichtung, aber in unterschiedlichen Winkelpositionen relativ zu den Statorpolen. Das Starten des Antriebs (wie noch später erläutert werden wird) und das Lesen des Codes verläuft jeweils genauso wie für die ursprüngliche Drehrichtung, aber die Konvertierung der Codeeingangsgröße zu den drei dem Detektor äquivalenten Ausgangsgrößen, beispielsweise die Sequenzierung der drei Phasen, ist unterschiedlich.
Um die Ausgangsgröße des Sensors zu dekodieren, blickt man auf das Verhältnis Markierungen/Lücken der einfließenden Signale bei jedem ansteigenden Impuls und ermittelt, ob der letzte Impuls lang oder kurz war. Wenn der Impuls lang war, kann er als 1 dekodiert werden, und wenn er kurz war, kann er als dekodiert werden. Das dekodierte Bit kann dann eine Eingangsgröße an das Schift-register mit 6-Bit-Längen sein, so daß eine Aufnahme der letzten Vergangenheit der Ausgangsgrößen des Sensors aufgezeichnet wird, so daß der Zustand der Sequenz eine Reflektion der Rotorposition ist. Ein einfacher Weg, um zu entscheiden, ob der Impuls lang oder kurz ist, ist die Zeit zu messen, für die das Signal hoch ist und für die es niedrig ist und anschließend beide zu vergleichen. Wenn die Zeit durch eine feste Taktzeit genommen wird, muß die Taktzeit hoch sein, um eine gute Auflösung bei hohen Geschwindigkeiten zu erhalten. Dies würde eine große Anzahl von Bits erfordern, damit das System befähigt wird, bei niedrigeren Geschwindigkeiten betrieben zu werden. Aus diesem Grund kann eine Taktzeit verwendet werden, deren Frequenz an die (in regelmäßigen Winkelabständen angeordneten) ansteigenden Impulse der RPT-Eingangsgröße gekoppelt ist.
Es wurde oben bemerkt, daß der Betrieb eines Systems mit einem Detektor das Wissen der ursprünglichen Position des Rotors beim Starten erfordert. Eine bekannte ursprüngliche Position kann wie folgt erhalten werden: Wenn irgendeine Phase für eine Zeit angeregt ist, wird der Rotor gewöhnlich näherungsweise in eine Ausrichtung mit der maximalen Induktionsposition dieser Phase gezogen. Alternativ kann der Rotor, wenn zwei Phasen gleichzeitig für eine Zeit angeregt werden, näherungsweise in eine Position zwischen den beiden maximalen Induktionspositionen, in der das positive und negative Drehmoment der beiden Phasen einander ausgleichen, gezogen werden. Es ist möglich, daß die ursprüngliche Rotorposition gelegentlich mit einer unerwünschten Position, bei der kein Drehmoment auftritt, übereinstimmt, und der Rotor daher nicht in die gewünschte Ausrichtung gezogen wird. Ein Fehlschlagen, in die gewünschte ursprüngliche Position zu kommen, wird wahrscheinlich zu einem Fehlschlagen eines korrekten Starts führen. Dieser Zustand kann ermittelt werden, und der Motor kann gestoppt und wieder gestartet werden.
Wenn ein solcher Fehlstart nicht toleriert werden kann, kann er durch die Verfolgung einer Initialisierungssequenz umgangen werden, beispielsweise durch die Erregung von zuerst einer Phase alleine, und dann von zwei Phasen zusammen. Die gewünschte Position kann mit einer der Übergangskanten des RPT-Signals, beispielsweise an der Grenze eines 15º-Bereichs, übereinstimmen. In der Praxis kann der Rotor an jeder Seite des Übergangs zum Halten kommen. Uber die korrekte Phasenschaltsequenz beim Starten kann sich durch die Feststellung, ob das Signal hoch oder niedrig ist, beispielsweise in welcher der 15º-Bereiche der Rotor positioniert ist, versichert werden.
Das beschriebene System ermöglicht ein volles Drehmoment beim Start in beide Drehrichtungen. Das System kann für Antriebe vereinfacht werden, die nur ein geringes Drehmoment beim Starten erfordern und in denen das Verhältnis der Reibung zur Trägheit nicht hoch ist. Diese Entwicklung wird nun beschrieben.
Die Fig. 4 zeigt die Ausgangsgröße des Sensors und die Phasenerregung für ein vereinfachtes System. Der Signalübergang des Detektors kann bei diesem Beispiel bei der maximalen und minimalen Induktion der Phase A stattfinden und dieses Signal kann daher zur direkten Steuerung der Erregung der Phase A verwendet werden. Es wird angenommen, daß die Ausgangsposition des Rotors in Fig. 4 durch die Erregung der beiden Phasen A und C eingestellt wurde. Die Phase C kann dann ausgeschaltet werden, was den Motor dazu veranlaßt, aufgrund des durch die Phase A erzeugten Drehmoments in die Vorwärtsrichtung zu beschleunigen. Die Phase A wird an ihrer Position mit der maximalen Induktion abgeschaltet und der Motor läuft dann im Leerlauf, ohne eine erzeugtes Drehmoment, bis die Phase A bei dem nächsten ansteigenden Impuls des Meßwandlersignals eingeschaltet wird. Folglich wird eine Phase entsprechend den ansteigenden und fallenden Impulsen der Ausgangsgröße des Sensors geschaltet. Wenn der Rotor einmal läuft, läuft er als Einphasenmaschine, bis die Bewegung des Rotors für die Motorsteuerung ausreicht, um sich einzustellen.
Es wird eine untere Grenze für die Drehstufe des Rotors geben, unter der die Mehrphasensteuerung nicht möglich ist. Wenn diese Geschwindigkeit einmal überschritten wird und eine korrekte Codesequenz oder -sequenzen empfangen wurden, kann die Position des Rotors relativ zu dem Stator ermittelt werden und die erfindungsgemäße Mehrphasensteuerung eingesetzt werden. Es ist klar, daß die auf dem Rotor über die relativ kurze ursprüngliche Erregung der Phase A ausreichend sein muß, um den Rotor gegen die Reibung und ein Belastungsdrehmoment über mehr als 45º zu der nächsten Erregung der Phase A zu bewegen, um ein Starten zu gewährleisten. Die Phase A kann für volle 45º erregt werden. Auf diese Weise beschleunigt der Motor, wobei nur die Phase A erregt wird, bis eine ausreichende Geschwindigkeit zum verläßlichen Timing der Erregung der Phasen B und C durch das Signal des Meßwandlers erhalten wird.
Es ist ersichtlich, daß der Motor in die umgekehrte Drehrichtung gestartet werden kann, wenn die ursprüngliche Rotorposition durch die Erregung der Phasen A und B eingestellt wird, und wenn das Signal des Meßwandlers umgekehrt wird. Das codierte Drehelement wurde positioniert, so daß in dem Beispiel die Phase A ursprünglich erregt ist. Eine erneute Positionierung des Elements würde es erlauben, daß entweder die Phase B oder die Phase C die ursprünglich erregte Phase ist.
Die durch die Beschränkung des Drehmoments beim Starten entstehende Härte kann durch eine Modifizierung das System entsprechend den folgenden Ausführungen reduziert werden. Die für den Meßwandler codierte Scheibe ist modifiziert, um ein Signal entsprechend der Fig. 5 zu erzeugen, beispielsweise mit einem Markierungslückenverhältnis von 1:2, wobei die ansteigenden Impulse mit der maximalen Induktion der Phase A und der abfallende Impuls mit dem Maximum der Phase B korrespondieren. Der Rotor kann wie vorher ursprünglich durch eine Erregung der Phasen A und C positioniert werden. Das Starten wird durch ein Ausschalten der Phase C eingeleitet, wobei die Phase A erregt gelassen wird. Bei dem Impuls des Sensors wird die Phase A abgeschaltet. Bis zu diesem Punkt ist die Anordnung unverändert, wobei dieselbe Menge an Energie an den Rotor übertragen wird, wie in dem unmodifizierten System. Wenn die Phase A jedoch abgeschaltet wird, wird die Phase B angeschaltet. Der Rotor dreht sich weiter zu der ausgerichteten Position der Phase B, wenn B abgeschaltet wird, und er wird dann im Leerlauf bis zu dem nächsten Impuls des RPT- Signals laufen.
Diese Anordnung ergibt einen höheren ursprünglichen Energieimpuls an den Rotor, bevor dieser sich im Leerlauf dreht, und nachdem die ausgerichtete Position von B erreicht ist, wobei der Antrieb nur unter Verwendung der Phase B anläuft. Es sei darauf hingewiesen, daß nur 30º des Bereichs der B-Phase für diesen Vorgang verwendet werden.
Das oben beschriebene spezielle Ausführungsbeispiel bezieht sich auf einen sechs/vierpoligen Drei-Phasen-Motorantrieb. In diesem Fall wiederholt sich die Codesequenz viermal in dem Rotorkreislauf, um mit der Anzahl an Rotorpolen übereinzustimmen. Für eine unterschiedliche Anzahl an Rotorpolen kann eine korrespondierende Anzahl von Wiederholungen der Codesequenz verwendet werden, so daß die Position des Rotors von einer bekannten Startposition ermittelt werden kann. Natürlich kann auch eine einzige Sequenz für den Rotorkreislauf verwendet werden. Die Verzögerung, bevor ein vollständiger Kreislauf eingelesen ist, kann jedoch zu lange sein. Es ist klar, daß die Erfindung für Motoren mit anderen Polkombinationen und mit einer anderen Anzahl als drei verwendeten Phasen eingesetzt werden kann. Es ist auch möglich, daß die Erfindung sowohl für Generatoren als auch für Motoren eingesetzt werden kann. Der RPT-Detektor kann optische, Hall-Effekt-, induktive oder andere Mittel verwenden.
Dieses Verfahren kann eingesetzt werden, um eine einphasige Maschine unter der Führung der Codiereinrichtung für die Rotorposition zu starten. Die Lokalisierung des Rotors kann durch die Verwendung irgendeiner der bekannten Verfahren erhalten werden, so daß die Rotorposition jedesmal dieselbe ist. Siehe hierzu beispielsweise die EP-A-0 601 818, in der ein Wirtpol einen Permanentmagneten trägt, der den Rotor in einer Startposition hält, während er im Ruhezustand ist. Die Codiereinrichtung für die Rotorposition wird dann verwendet, um die Position des Rotors innerhalb des Kreislaufs beim Starten zu überwachen. Die einzelne Phase wird erregt und die ansteigenden (beispielsweise führenden) Impulse, die in regelmäßigen Abständen auf der Codiereinrichtung sind, werden gezählt, bis die maximale Induktionsposition erreicht ist. An diesem Punkt wird die Phase aberregt. Der Motor läuft dann im Freilauf von dieser bekannten Position bis die korrekte Position der Phasenerregung durch das Zählen der ansteigenden Impulse wieder angezeigt wird. In Abhängigkeit von der Länge des Codes kann die Codesequenz eventuell wiedererkannt werden. Die durch die Zählung der ansteigenden Impulse von der Position der maximalen Induktion kalkulierte Position kann dann von der erkannten Sequenz bestätigt oder korrigiert werden.
In ähnlicher Weise kann das Verfahren für den Start einer zweiphasigen Maschine verwendet werden. Beide Motorphasen werden erregt, um den Rotor in eine bekannte Position zu bringen. Eine Phase wird dann aberregt, um den Rotor dazu zu bringen, sich in eine definierte Richtung zu bewegen. Die Sensor- Steuerungsanordnung zählt dann die ansteigenden Impulse bis kalkuliert ist, daß der Rotor eine Position erreicht hat, an der die verbleibende erregte Phase abgeschaltet werden kann, und die aberregte Phase wieder angeschaltet werden kann. Wenn die Codesequenz der Codiereinrichtung eventuell erkannt wird, kann die Position des Rotors, wie sie von der bekannten Startposition gezählt wurde, bestätigt oder korrigiert werden.
Als eine Alternative kann die Zwei-Phasen-Startsequenz eine Erregung einer Motorphase, um den Motor zu einer bekannten Position (beispielsweise mit einer maximalen Induktion) drehen, ein Aberregen der erregten einen Phase und dann eine Erregung der anderen Phase umfassen. Die ansteigenden Kanten der Codiereinrichtung werden ab der Erregung der anderen Phase gezählt, um zu bestimmen, wann die eine Phase wieder an- und abgeschaltet wird. Auch in diesem Fall wird die Codesequenz eventuell dekodiert, so daß die gezählte Rotorposition bestätigt oder korrigiert werden kann.
Ein weiteres Verfahren zum Starten einer mehrphasigen elektrischen Maschine umfaßt zuerst das Starten als ein Schrittschaltmotor ohne Rückmeldung der Rotorposition anstelle der Etablierung von einer bekannten ursprünglichen Rotorposition, beispielsweise unter Verwendung eines offenen Regelkreisschritts, um den Motor zu starten und ein Laufen bei niedriger Geschwindigkeit zu bewirken. Dies kann durch eine Zuleitung von Timingimpulsen in einer Sequenz zu den Phasen von einem mit einer festen Frequenz oder einem in der Frequenz variablen Oszillator erreicht werden. Danach kann die Schaltsteuerung von dem offenen Regelkreisschritt- zu der sensorbasierten Steuerung übertragen werden. Die Ausgangsgröße des Sensors wird dann verwendet, um die Winkelposition des Rotors durch die Codesequenz zu überprüfen.

Claims

1. Steuerungssystem für eine elektrische Maschine (14) mit einem Rotor, der Rotorpole bildet, die so angeordnet sind, daß sie relativ zu einem Stator rotieren, wobei das System eine Steuerung (24) mit Signalspeichermitteln, Schaltmitteln (12) für die oder jede Phase der Maschine aufweist, wobei die Schaltmittel durch die Steuerung entsprechend der Position des Rotors relativ zu dem Stator betätigbar sind,

einer Codiereinrichtung (18) mit einem Satz von Kennzeichnungen (20, 22), die so angeordnet sind, daß sie sich mit dem Rotor drehen, und einem einzelnen Sensor (16), der in einer relativ zu dem Stator festen Position angeordnet ist, um durch die Kennzeichnungen beeinflußt zu werden, wenn sie sich mit dem Rotor drehen, um eine Ausgangsgröße zu erzeugen,

wobei die Kennzeichnungen, die die Ausgangsgröße des Sensors in der Form eines Digitalcodes bilden, der zu den Speichermitteln geleitet wird, und wobei der Code durch die Steuerung dekodierbar ist, um die Positionen der Rotorpole relativ zu dem Stator anzuzeigen,

dadurch gekennzeichnet, daß die Kennzeichnungen erste Teile zur Beeinflussung der Ausgangsgröße für den Sensor haben, die in regelmäßigen Winkelabstandspositionen angeordnet sind, und zweite Teile zur Beeinflussung der Ausgangsgröße für den Sensor haben, die in unregelmäßig beabstandeten Winkelpositionen angeordnet sind, und die Winkelpositionen der zweiten Teile relativ zu den ersten Teilen durch die Steuerung als eine Sequenz dekodierbar sind, so daß die Position des Rotors relativ zu dem Stator durch die Sequenz ermittelbar ist.

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die regelmäßig beabstandeten ersten Teile mit den leistungsschaltenden Betätigungspositionen der Rotorpole übereinstimmen oder andernfalls die Positionen der Rotorpole relativ zu den Statorpolen anzeigen, wobei von den Teilen sich das Timing für die Leistungsschaltung herleiten läßt.

3. System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Teile zwischen den zweiten Teilen liegen.

4. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Teile auf einer einheitlichen Struktur (18) angeordnet sind.

5. System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Teile eine der Führungs- und Hinterkanten der Kennzeichnungen (20) bilden und die zweiten Teile die anderen der Führungs- und Hinterkanten bilden.

6. System nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Teile sich winkelförmig erstreckende Bereiche mit unterschiedlicher Lichtdurchlässigkeit, Lichtreflektivität, Magnetismus, Kapazität oder Induktion sein können.

7. System nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Periode der Sequenz mit der Periode des Phaseninduktionskreislaufs, einem Vielfachen des Phaseninduktionskreislaufs oder des Rotorkreislaufs übereinstimmt.

8. System nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung Zeitmittel zur Bestimmung des Intervalls zwischen den am Sensor passierenden Kennzeichnungen und Dekodiermittel, die zur Dekodierung der Intervalle in der Sequenz eingerichtet sind, aufweist.

9. System nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Speichermittel, wenn der Rotor sich dreht, Schiftregistermittel zum Empfang der serienmäßigen Sequenzen aufweisen, wobei die Schiftregistermittel durch die Steuerung lesbar sind, um die Lage der Sequenz zu ermitteln.

10. System nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung so eingerichtet ist, daß sie den Rotor zu einer ursprünglich vorgegebenen Startposition des Rotors relativ zu dem Stator bewegt.

11. Verfahren zur Steuerung einer elektrischen Maschine mit einer Codiereinrichtung (18), die einen Positionscode für einen Rotor einer elektrischen Maschine relativ zu ihrem Stator bildet, und einem einzelnen Sensor (16), wobei die Codiereinrichtung einen Satz an Kennzeichnungen (20, 22) aufweist, die so angeordnet sind, daß sie sich mit dem Rotor drehen, um die Ausgangsgröße des Sensors zu beeinflussen,

wobei die Kennzeichnungen erste Teile zur Beeinflussung der Ausgangsgröße des Sensors besitzen, die in regelmäßig beabstandeten Winkelpositionen angeordnet sind, und zweite Teile zur Beeinflussung der Ausgangsgröße eines Sensors besitzen, die in unregelmäßig beabstandeten Winkelpositionen angeordnet sind, wobei die Winkelpositionen der zweiten Teile relativ zu den ersten Teilen als Sequenz dekodierbar sind, so daß die Position des Rotors relativ zu dem Stator durch die Sequenz ermittelbar ist, wobei das Verfahren das Abtasten der Bewegung der Kennzeichnungen am Sensor, die Dekodierung der Sequenz von den zweiten Teilen der Kennzeichnungen, das Bestimmen der Position des Rotors relativ zu dem Stator entsprechend der Lage der Sequenz, und das Timing des Schaltens der Maschine entsprechend den ersten Teilen der Kennzeichnungen, die den Sensor passieren, umfaßt.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Passieren der ersten Teile der Codiereinrichtung als laufende Größe verwendet wird, um eine gleichzeitige Übersicht über die Position des Rotors relativ zu dem Stator zu erhalten, wobei die Codesequenz verwendet wird, um die Information über die Rotorposition im Falle, daß die Information verlorengeht oder verfälscht ist, herzuleiten oder wiederherzustellen.