DE69606081T2

DE69606081T2 - Kompensation für Änderungen der Eingangsspannung in dem Antrieb eines Elektromotors

Info

Publication number: DE69606081T2
Application number: DE69606081T
Authority: DE
Inventors: Geoffrey Thomas Brown; David Mark Sugden; Paul Donald Webster
Original assignee: Switched Reluctance Drives Ltd
Current assignee: Nidec SR Drives Ltd
Priority date: 1995-04-20
Filing date: 1996-04-09
Publication date: 2000-09-07
Anticipated expiration: 2016-04-10
Also published as: EP0739085A3; KR960039580A; US5724477A; JP3339667B2; KR100385163B1; JPH0998595A; EP0739085A2; CA2174467A1; DE69606081D1; GB9508051D0; ES2141440T3; TW351871B; EP0739085B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft im allgemeinen eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Kompensieren von Gleichstromanschluß-Spannungsvariationen in einem elektrischen Motorsystem. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine digitale Schaltung und ein Verfahren zum Betreiben eines geschalteten Reluktanzantriebs, das periodisch einen digitalen Wert, der einer Gleichstromanschlußspannung entspricht, liest und ein Geschwindigkeits-Anzeigesignal anpaßt, um in der Gleichstromanschlußspannung Veränderungen zu kompensieren. Das angepaßte Geschwindigkeitssignal wird zu einer Steuereinrichtung übertragen, wo es verwendet wird, um die Erregungszeit des geschalteten Reluktanzantriebs anzupassen.
Elektrische Motoren wandeln elektrische Energie in mechanische Energie um, um Arbeit zu verrichten. Elektrische Motoren arbeiten durch das Anlegen einer Spannung über eine oder mehrere Wicklungen in dem Motor, wodurch die Wicklungen erregt werden, um ein resultierendes magnetisches Feld zu erzeugen. Mechanische Anziehungskräfte, die durch das magnetische Feld verursacht werden, bewirken wiederum die Bewegung eines Rotors in dem elektrischen Motor. Der Wirkungsgrad des elektrischen Motors hängt teilweise von der zeitlichen Abstimmung und der Größe von jedem Anlegen der Spannung an dem Motor ab. Die Größe der angelegten Spannung ist insbesondere im Falle von geschalteten Reluktanzmaschinen wichtig.
In früheren Zeiten dachte man, daß der geschaltete Reluktanzmotor nicht in der Lage ist, effektiv mit anderen Motortypen zu konkurrieren. Ein Teil des Problems war die Schwierigkeit, den geschalteten Reluktanzmotor zu steuern. In jüngerer Zeit führte jedoch ein besseres Verständnis des Motorkonzepts und die Verwendung von elektronisch gesteuerten Schaltungen zu robusten geschalteten Reluktanzantrieben, die zu hohen Leistungsniveaus über einen weiten Bereich von Größen, Leistungen und Geschwindigkeiten fähig sind. Es sei angemerkt, daß die Bezeichnung "Motor" hier verwendet wird, aber daß Fachleute erkennen, daß die Bezeichnung die gleiche Maschine in einem Erzeugungsmodus abdeckt, sofern keine besondere Unterscheidung gemacht wird.
Die allgemeine Theorie des Konzeptes und des Betriebs von geschalteten Reluktanzmotoren ist weithin bekannt und wird beispielsweise in "The Characteristics, Design and Applications of Switched Reluctance Motors and Drives" von Stephenson and Blake diskutiert und wurde auf der PCIM '93 Konferenz und Ausstellung in Nürnberg, Deutschland, 21.-24. Juni 1993, vorgestellt.
Der geschaltete Reluktanzmotor ist im allgemeinen ohne Wicklungen oder Permanentmagneten auf dem bewegten Teil des Motors (Rotor genannt) konstruiert. Der stationäre Teil von den meisten geschalteten Reluktanzmotoren (Stator genannt) umfaßt Drahtspulen, die um die Statorpole gewickelt sind, welche Gleichstrom führen. In einem Typ von geschaltetem Reluktanzmotor sind Spulen um gegenüberliegende Statorpole in Reihe verbunden oder parallel, um eine Phasenwicklung eines potentiellen geschalteten Multi-Phasen-Reluktanzmotors zu bilden. Die Motordrehzahl wird durch das Anlegen einer Spannung über jede der Phasenwicklungen in einer vorbestimmten Reihenfolge hergestellt, welche mit der Winkelposition des Rotors synchronisiert ist, so daß eine magnetische Anziehungskraft zwischen den Polen des Rotors und des Stators hervorgerufen wird, wenn diese sich einander nähern. Auf eine ähnliche Weise wird Kraft durch das Positionieren des Spannungspulses in einem Teil des Zykluses erzeugt, wo die Pole sich voneinander weg bewegen.
Im typischen Betrieb wird jedes Mal, wenn eine Phasenwicklung des geschalteten Reluktanzmotors angeschaltet wird (oder erregt wird), magnetischer Fluß durch die Phasenwicklung erzeugt, wodurch sich die gegenüberliegenden Statorpole, die mit den Phasenwicklungen verbunden sind, in Elektromagneten mit entgegengesetzten Polaritäten verwandeln. Das elektromagnetische Feld, das durch die erregte Phasenwicklung erzeugt wurde, verursacht eine Anziehungskraft auf die Rotorpole. Die allgemeine Konstruktion und der allgemeine Betrieb von Steuereinrichtungen für geschaltete Reluktanzmotoren ist allgemein verstanden und wird hier nur zum Zwecke der Hintergrundinformation beschrieben.
Um die Geschwindigkeit und das damit verbundene Drehmoment, das von einem geschalteten Reluktanzmotor entwickelt wird, aufrecht zu erhalten, ist es notwendig, vorsichtig zu steuern, wann und wieviel Spannung an die Phasenwicklungen des Motors angelegt wird. Da die zugeführte Spannung signifikant abweichen kann, kann ein Kontrollschema, das Änderungen in der zugeführten Spannung nicht beachtet, einer signifikanten Verringerung in der Fähigkeit, die Maschinen wie vom Bediener gefordert zu steuern, unterliegen. Dies liegt daran, daß der Fluß, der in den Phasenwicklungen erzeugt wird, direkt mit der angelegten Spannung in Beziehung steht. Demgemäß kann eine Veränderung in der zugerührten Spannung zu mehr oder weniger durch die Phasenwicklungen erzeugten Fluß führen, als andererseits erwünscht wäre. Diese unerwünschte Veränderung im Fluß im Motor kann dazu führen, daß die Elektromagneten, die durch die Erregung der Phasenwicklungen erzeugt werden, zu stark oder zu schwach sind, was zu verschlechterter Motorleistung führt.
Viele geschaltete Reluktanzmotoren werden entweder durch Batterieversorgungen oder, was üblicher ist, durch eine Gleichspannung betrieben, die durch Gleichrichten oder anderweitiges Umwandeln einer Wechselspannungsversorgung in eine Gleichspannung hergeleitet wird. In der vorliegenden Anmeldung wird die Gleichstromspannung, die im geschalteten Reluktanzmotor (von einer Batterie, einem Gleichrichter oder anderweitig) bereitgestellt wird, als "Gleichsstromanschlußspannung" bezeichnet. Wie die Fachleute erkennen, ist die Gleichstromanschlußspannung, die einem geschalteten Reluktanzmotorsystem zur Verfügung steht, oft nicht konstant. Veränderungen in der Spannung der Wechselstromversorgung, Veränderungen in der elektrischen Umgebung, in der das Motorsystem arbeitet, und Veränderungen in den elektrischen Kompo nenten, die verwendet werden, um die Gleichstromanschlußspannung bereitzustellen, führen oft zu einer Gleichstromanschlußspannung, die zeitlich variiert. Diese Variationen in der Gleichstromanschlußspannung können die Leistung eines geschalteten Reluktanzantriebs verschlechtern, wenn sie nicht kompensiert werden.
Wie oben diskutiert, ist es in geschalteten Reluktanzmaschinen sehr wichtig, wann und wie die Spannung an die Phasenwicklungen angelegt wird. In den meisten bekannten geschalteten Reluktanzantrieben wird das Verhältnis zwischen der Motorgeschwindigkeit, dem erwünschten Drehmoment und der Zeit und der Spannungsmenge, die an die Phasenwicklungen angelegt wird, empirisch durch ein Verfahren bestimmt, das als Charakterisierung bezeichnet wird. In der Charakterisierung werden die Betriebsparameter des Motors über eine große Vielfalt von Betriebsbedingungen bestimmt. Die Betriebsparameter werden dann in einer analogen oder digitalen Schaltung (eine Steuerungsgesetztabelle genannt) gespeichert. Während des Betriebs des Antriebs stellt das Kontrollsystem der Steuerungsgesetztabelle Signale bereit, welche die Motorgeschwindigkeit und das erwünschte Drehmoment repräsentieren. Eine Schaltung, welche die Steuerungsgesetztabelle beinhaltet, stellt wiederum Signale her, welche die Erregung der Phasenwicklungen steuern. Die Verwendung von Motorsteuerungseinrichtungen mit Steuerungsgesetztabellen ist allgemein verstanden und wird hier nicht im Detail diskutiert.
Für einige Motoren wird die Charakterisierung in einem Verfahren erreicht, das annimmt, daß die Gleichstromanschlußspannung, die dem Motorsystem zur Verfügung steht, sich nicht verändert. Aufgrund der Erkenntnis, daß sich die Gleichstromanschlußspannung typischerweise verändert, wird die Charakterisierung manchmal unter der Annahme durchgeführt, daß die Gleichstromanschlußspannung auf ihrem niedrigsten erwarteten Wert ist. Das heißt, die Charakterisierung wird unter der Annahme des "schlimmsten Falles" der Gleichstromanschlußspannung durchgeführt. Dieser Typ von Charakterisierung ist in dem Ausmaß unerwünscht, in dem es den Betrieb des geschalteten Reluktanzantriebs in einem Szenario des schlimmsten Falles (der selten auftritt) charakterisiert, statt zu dem erwünschten optimalen Gleichstromspannungswert. Andere Motoren werden mit ihrer optimalen Gleichstromanschlußspannung charakterisiert. Für diese Motoren muß es eine Kompensation für Veränderungen in der Gleichstromanschlußspannung während des Betriebs geben oder der Antrieb leidet unter verschlechterter Leistung.
Einige bekannte geschaltete Reluktanzantriebe kompensieren nicht die Veränderungen in der Gleichstromanschlußspannung. Diese Systeme leiden notwendigerweise unter Betriebsproblemen und an einem Verlust von Wirkungsgrad, der von den Veränderungen herrührt. Andere geschaltete Reluktanzantriebe verwenden ein Analogsystem, um die Variationen der Gleichstromanschlußspannung zu kompensieren. Im allgemeinen kompensieren diese Systeme Veränderungen in der Gleichstromanschlußspannung durch das Anpassen des Geschwindigkeitssignals, das der Steuerungsgesetztabelle bereitgestellt ist, so daß das Geschwindigkeitssignal, das der Steuereinrichtung bereitgestellt wird, nicht die tatsächliche Geschwindigkeit des Motors ist, sondern ein modifiziertes Geschwindigkeitssignal, das das tatsächliche Geschwindigkeitssignal, modifiziert durch ein Signal, das die Gleichstromanschlußspannung repräsentiert, darstellt.
In typischen analogen Gleichstromanschluß-Kompensationsschaltungen wird ein analoges Rückkopplungssignal, das der Rotationsgeschwindigkeit des Motors entspricht, mit einer festen Frequenz abgetastet, wobei Pulse verwendet werden, die einen Tastgrad aufweisen, der der Gleichstromanschlußspannung entspricht. Diese Abtastung erzeugt ein modifiziertes analoges Geschwindigkeitssignal, das der Steuerschaltung bereitgestellt wird, welche eine Steuerungsgesetztabelle enthalten kann. Falls beispielsweise der Gleichstromanschlußwert ein erwünschter Gleichstromanschlußwert ist oder in der Nähe von diesem liegt, kann das Geschwindigkeits-Rückkopplungssignal abgetastet werden, indem Pulse mit einem Tastgrad von ca. 90% verwendet werden. Dies erzeugt ein modifiziertes Ge schwindigkeitssignal mit einem ersten Wert. Falls der Gleichstromanschlußwert unter die erwünschte Gleichstromanschlußspannung sinkt, kann der Tastgrad der Abtastpulse bis auf 100% ansteigen, was entsprechend das modifizierte analoge Geschwindigkeitssignal, das der Steuereinrichtung bereitgestellt wird, erhöht. Falls andererseits die Gleichstromanschlußspannung anwächst, wird der Tastgrad der Abtastpulse abnehmen, was den Wert des modifizierten analogen Geschwindigkeitssignals, das der Steuereinrichtung bereitgestellt wird, vermindert. Die Steuereinrichtung, die eine Steuerungsgesetztabelle enthalten kann, erhält die modifizierten Signale und erzeugt die Signale, welche die Erregung der Motorwicklungen auf eine Art und Weise steuern, welche die Variationen in der Gleichstromanschlußspannung kompensiert.
Diese analogen Gleichstromanschluß-Kompensationssysteme leiden typischerweise unter mehreren Nachteilen. Insbesondere weisen diese analogen Systeme Genauigkeits- und Leistungsbeschränkungen auf, welche alle analogen System aufweisen. Darüberhinaus erfordern diese analogen Systeme Komponenten, die kostenintensiv sind und nur in einem beschränkten Betriebsbereich arbeiten können. Beispielsweise ist die Verwendung der oben beschriebenen analogen Abtasttechnik in dem Ausmaß beschränkt, daß die Abtastpulse keinen Tastgrad von mehr als 100% aufweisen können. Da ferner digitale Steuereinrichtungen in dem Motorsteuersystem integriert sind, führt das Erfordernis eines analogen Gleichstromanschlußkompensators zu der Notwendigkeit von zusätzlichen kostenintensiven Schaltungen.
Aufgrund der Nachteile der bekannten analogen Systeme ist es wünschenswert, ein Gleichstromanschlußspannungs-Kompensationssystem zu schaffen, das genau ist und einen beträchtlichen Bereich der Gleichstromanschlußspannungen abdeckt und welches relativ preisgünstig ist.
Die vorliegende Erfindung wird durch die beigefügten unabhängigen Ansprüche 1 und 7 definiert. Bevorzugte Merkmale der Erfindung werden in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen genannt.
Die vorliegende Erfindung betrifft im allgemeinen eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Kompensieren von Gleichstromanschlußspannungs-Variationen in einem elektrischen Antriebssystem. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein digitales System, um genau und effizient eine Gleichstromanschluß- Kompensation in einer Art und Weise zu implementieren, welche viele der Nachteile beseitigt, die mit den bekannten analogen Gleichstromanschluß-Kompensationssystemen verbunden sind. In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine digitale Schaltung verwendet, um periodisch digitale Signale, welche die Gleichstromanschlußspannung und die tatsächliche Rotorgeschwindigkeit darstellen, einzulesen. Die digitale Schaltung verwendet dann einen neuen Ansatz, um die digitale Darstellung der Rotorgeschwindigkeit anzupassen, um Veränderungen in der Gleichstromanschlußspannung zu kompensieren. Das kompensierte Geschwindigkeitssignal wird dann an eine Steuereinrichtung übertragen, welche eine Steuerungsgesetztabelle beinhalten kann, wo es verwendet wird, die zeitliche Abstimmung der Spulenerregung des geschalteten Reluktanzantriebs anzupassen.
In Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden die o. g. Nachteile der bekannten geschalteten Reluktanzantriebs-Steuereinrichtungen durch die Verwendung einer Mikrosteuereinrichtung beseitigt, um digitale Signale zu verarbeiten, welche die Gleichstromanschlußspannung darstellen, um eine Kompensation der Variationen der Gleichstromanschlußspannung zu erreichen.
Weitere Aspekte und Vorteile der Erfindung werden durch das Studium der nachfolgenden detaillierten Beschreibung von beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung und mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen deutlich, bei denen:
Fig. 1 ein Blockdiagramm eines Gleichstromanschlußspannungs-Kompensationssystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
Fig. 2 ein Flußdiagramm ist, das ein Verfahren zum Implementieren eines Gleichstromanschlußspannungs-Kompensationssystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
Fig. 3 ein Graph ist, der ein mögliches Verhältnis zwischen der Gleichstromanschlußspannung und einem Kompensationsfaktor, der durch die Verwendung der vorliegenden Erfindung implementiert werden kann, darstellt; und
Fig. 4 eine Tabelle ist, die verwendet wird, um ein akzeptables Verhältnis zwischen der digitalen Darstellung der gemittelten Gleichstromanschlußspannung und einem Kompensationsfaktor zu bestimmen.
Fig. 1 zeigt ein repräsentatives Blockdiagramm eines digitalen Gleichstromanschlußspannungs-Kompensationssystems 10 für einen geschalteten Reluktanzmotor (teilweise durch einen Rotor 12 dargestellt). Das Spannungskompensationssystem 10 umfaßt ferner einen Rotorpositionssensor 14 (RPT), der durch ein Element beeinflußt wird, das angebracht ist, um sich mit dem Rotor zu drehen, um ein Rotorpositionssensor-Ausgabesignal 16 zu erzeugen, das die Position des Rotors 12 darstellt. Fachleute erkennen, daß die Rotorpositionsinformation durch mehrere alternative Einrichtungen abgeleitet werden kann, wobei die Einrichtungen einen Rotorpositionswandler (RPT) umfassen, oder durch das Abschätzen der Information vom Motorstrom, Spannung und/oder Induktivität. Der Sensor 14 ist für darstellende Zwecke in Blockform in Fig. 1 gezeigt.
Durch das Überwachen der Veränderungen in der Rotorposition über eine vorgegebene Zeitperiode ist es möglich, die Geschwindigkeit des Motors zu bestimmen. In Fig. 1 führt ein Geschwindigkeitsmeßblock 18 die Funktion des Empfangs des Rotorsensorausgabesignals 16 aus sowie die Bereitstellung eines tatsächlichen Geschwindigkeitssignals 20, das der tatsächlichen Rotationsgeschwindigkeit des Rotors 12 entspricht. Die Konstruktion des Geschwindigkeitsmeßblocks 18 ist einem Fachmann klar und hängt von dem speziellen RPT ab. Das tatsächliche Geschwindigkeitssignal 20 wird einem digitalen Gleichstromanschlußspannungs- Kompensationsblock 22 bereitgestellt.
Zusätzlich zu dem Ermitteln der Rotationsgeschwindigkeit des Rotors ermittelt die Schaltung der vorliegenden Erfindung auch die Gleichstromanschlußspannung 24. In der Ausführungsform der Fig. I tastet ein Analog-/Digital-Wandler (ADC) 26 die Gleichstromanschlußspannung 24 ab und wandelt sie in eine digitale Ausgabe 28, die die Spannungsgröße der Gleichstromanschlußspannung darstellt. Der ADC 26 überträgt seine Ausgabe 28 an den digitalen Gleichstromanschlußspannungs-Kompensationsblock 22. In einer Ausführungsform umfaßt die ADC-Ausgabe 28 8 (acht) Datenbits, die es ermöglichen, 2&sup8; (= 256) unterschiedliche Spannungsniveaus darzustellen. Der digitale Gleichstromanschlußspannungs-Kompensationsblock 22 erhält das tatsächliche Geschwindigkeitssignal 20 und die ADC-Spannungsausgabe 28 und erzeugt ein digitales, kompensiertes Geschwindigkeitssignal 30, das an eine Motorsteuereinrichtung 32, die mit dem geschalteten Reluktanzmotor verbunden ist, weitergeleitet wird. In einer Ausführungsform wird das digitale kompensierte Geschwindigkeitssignal 30 invers an Veränderungen in der Gleichstromanschlußspannung 24 angepaßt. Beispielsweise verursacht ein Anstieg in der Gleichstromanschlußspannung 24 ein im Wert kleineres kompensiertes Geschwindigkeitssignal 30, wohingegen eine Abnahme in der Gleichstromanschlußspannung 24 ein im Wert größeres kompensiertes Geschwindigkeitssignal 30 erzeugt. Das digitale, von dem digitalen Gleichstromanschlußspannungs-Kompensator 22 kompensierte Geschwindig keitssignal 30 wird dann an die Motorsteuereinrichtung 32 angelegt, welche in einer Ausführungsform eine Steuerungsgesetztabelle beinhaltet. Die Steuerung des Motors wird durch die Verwendung des kompensierten Geschwindigkeitssignals erreicht.
Fachleute auf dem Gebiet der Motorsteuerung erkennen, daß das tatsächliche Geschwindigkeitssignal für andere Steuerungsaspekte des Motors (welche hier nicht diskutiert werden) auf herkömmliche Art und Weise verwendet wird.
Der digitale Gleichstromanschlußspannungs-Kompensator 22 kann auf eine Vielzahl von unterschiedlichen Arten implementiert werden. Zum Beispiel können diskrete digitale Komponenten oder eine anwendungsspezifische digitale integrierte Schaltung verwendet werden, um den Gleichstromanschlußspannungs- Kompensator zu implementieren. In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann eine digitale Mikrosteuereinrichtung, wie z. B. eine Mikrosteuereinrichtung von der Motorola Familie von Steuereinrichtungen MC68HC 11 verwendet werden, um das Gleichstromanschlußspannungs-Kompensationsverfahren der vorliegenden Erfindung zu implementieren. In dieser Ausführungsform kann die gleiche Mikrosteuereinrichtung als Motorsteuereinrichtung 32 verwendet werden. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, die Gleichstromanschlußspannungs-Kompensation ohne die Notwendigkeit einer signifikanten zusätzlichen Schaltung über das zur Implementierung der Motorsteuereinrichtung 32 Erforderliche hinaus durchzuführen.
In der Fig. 2 ist ein Flußdiagramm gezeigt, das ein bevorzugtes Verfahren zum Implementieren des digitalen Gleichstromanschlußspannungs-Kompensators 22 in dem Gleichstromanschlußspannungs-Kompensationssystem 10 darstellt. Insbesondere stellt Fig. 2 ein Verfahren in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung dar, bei welchem der digitale Gleichstromanschlußspannungs-Kompensator 22 das tatsächliche Geschwindigkeitssignal 20 in das kompensiertes Geschwindigkeitssignal 30 konvertieren kann.
Zu Beginn des Verfahrens muß der digitale Gleichstromanschlußspannungs- Kompensator zuerst die tatsächliche Gleichstromanschlußspannung bestimmen. Dies wird durch das Einlesen des digitalen Wertes erreicht, der durch den ADC 26 bereitgestellt ist und der tatsächlichen Gleichstromanschlußspannung entspricht. Um zu vermeiden, daß Übergangsveränderungen in der Gleichstromanschlußspannung 24 den Motorbetrieb beinflussen, wird die Gleichstromanschlußspannung 24 über eine vorgegebene Zeitperiode gemittelt. In der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die in Fig. 2 gezeigt ist, wird das Einlesen und das Mitteln wie folgt durchgeführt:
In Schritt 34 liest der digitale Stromanschlußspannungs-Kompensator 22 eine digitale 8-Bit-Ausgabe des ADC 26 ein. In Schritt 36 wird der digitale Wert, der der Gleichstromanschlußspannung entspricht, auf Werte normalisiert, die den Dezimalwerten zwischen 123 und 210 entsprechen. Der Normalisierungsbereich entspricht einem Bereich der Gleichstromanschlußspannungen, die der digitale. Gleichstromanschlußspannungs-Kompensator 22 kompensieren kann und die es dem Steuersystem des Antriebs noch erlauben, die Geschwindigkeit und das Drehmoment genau zu steuern.
Um das Mitteln der Gleichstromanschlußspannung über die Zeit durchzuführen, wird das Verfahren des Einlesens des digitalen Signals von dem ADC 26 256-mal wiederholt. Die 256 eingelesenen Daten werden zusammenaddiert und durch 256 geteilt, um eine gemittelte Gleichstromanschlußspannung zu erhalten. In der vorliegenden Erfindung wird das Addieren und das Dividieren durch die Verwendung eines binären Speicherregisters bewerkstelligt, welches link_sum heißt. Jede eingelesene normalisierte Gleichstromanschlußspannung wird zu der link_sum; einer binären Variablen, die eine fortlaufende Gesamtsumme darstellt, in Schritt 38 addiert. In dem nächsten Schritt 40 verfolgt ein Zähler, ob 256 eingelesene Daten zu der link_sum addiert wurden, falls nicht, wird das Verfahren wiederholt und ein weiterer Satz von eingelesenen Gleichstromanschlußspan nungen wird aufgenommen. Falls jedoch genau 256 eingelesene Daten zu der link_sum addiert wurden, wird dann 127 zu der link_sum in Schritt 42 hinzu addiert. Das Hinzuaddieren von 127 zur link_sum erlaubt es effektiv, daß die link_sum in Schritt 42 gerundet wird, anstatt daß sie bloß abgeschnitten wird. Der Zähler wird dann in der Erwartung einer weiteren Spannungsabtastungsrunde 42 zurückgesetzt. In Schritt 44 wird link_sum um 8 (acht) Plätze nach rechts versetzt, was effektiv link_sum durch 2&sup8; (= 256) teilt, wodurch link_sum gemittelt wird, um eine gemittelte Gleichstromanschlußspannung herzuleiten. Der Vorteil des Verschiebens von link_sum nach rechts um 8 Plätze im Gegensatz zum Dividieren durch 256 ist derjenige, daß das gleiche Ergebnis in wesentlich geringerer Zeit erhalten wird. Die Division ist wesentlich zeitaufwendiger als das Verschieben von Nummern. Die Zeitersparnis ist besonders wichtig in Echtzeitsystemen, bei denen die vorliegende Erfindung besondere Anwendung findet.
Wenn einmal die gemittelte Gleichstromanschlußspannung bestimmt worden ist, bestimmt der digitale Gleichstromanschluß-Kompensator 22 der vorliegenden Erfindung den Kompensationsfaktor, um das tatsächliche Motorgeschwindigkeitssignal 20 anzupassen, um Variationen in der Gleichstromanschlußspannung zu kompensieren. Da die Erfindung eine digitale Schaltung verwendet, kann der Kompensationsfaktor gemäß irgendeinem beliebigen Verhältnis zwischen der tatsächlichen Gleichstromanschlußspannung und dem Kompensationsfaktor ausgewählt werden. In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird das Verhältnis zwischen dem tatsächlichen Gleichstromanschlußwert und dem Kompensationsfaktor derart gewählt, daß der Kompensationsfaktor mit abnehmender tatsächlicher Gleichstromanschlußspannung zunimmt und mit zunehmender tatsächlicher Gleichstromanschlußspannung abnimmt.
Die Linie A der Fig. 3 zeigt ein wünschenswertes Verhältnis zwischen der Gleichstromanschlußspannung (die auf der horizontalen Achse in Einheiten von normalisierten ADC-Werten dargestellt ist) und dem Kompensationsfaktor (der auf der vertikalen Achse dargestellt ist). In Fig. 3 ist das Verhältnis zwischen den Gleichstromanschlußwerten und dem Kompensationsfaktor wie folgt: Der Kompensationsfaktor ist die optimale Gleichstromanschlußspannung geteilt durch die tatsächliche Gleichstromanschlußspannung. Beispielsweise kann in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die optimale Gleichstromanschlußspannung 1350 VDC sein, was einem normalisierten ADC-Wert von 172 entspricht (basierend auf einer 2000 V Skala, die in 256 digitale Darstellungen unterteilt ist). Falls die tatsächliche Gleichstromanschlußspannung 1350 VDC ist (mit einem ADC von 172), sollte dann der Kompensationsfaktor 1,0 sein, da das tatsächliche Geschwindigkeitssignal nicht modifiziert werden muß, da es keine Variation der Gleichstromanschlußspannung gibt. Unter der Verwendung des gleichen Beispiels sollte, falls die tatsächliche Gleichstromanschlußspannung 1550 ist (mit einem ADC-Wert von 198), der Kompensationsfaktor (1350/1550) oder ungefähr 0,87 sein. Beide Beispiele sind in Bezug auf die Linie A der Fig. 3 dargestellt. Wenn die tatsächliche Gleichstromanschlußspannung 1056 V ist (mit einem ADC-Wert von 135), sollte der Kompensationsfaktor ungefähr 1,28 sein. Wenn die tatsächliche Gleichstromanschlußspannung 1550 V (mit einem ADC-Wert von 198) ist, sollte der Kompensationsfaktor ungefähr 0,87 sein. Es sollte angemerkt werden, daß das Verhältnis zwischen der Gleichstromanschlußspannung und den Kompensationsfaktoren, das durch die Linie A der Fig. 3 dargestellt ist, nur eine von vielen möglichen Verhältnissen ist, die verwendet werden können, um die vorliegende Erfindung zu implementieren.
Die tatsächliche Herleitung des Kompensationsfaktors, der durch den normalisierten ADC-Wert gegeben ist, der die tatsächliche Gleichstromanschlußspannung darstellt, kann auf vielfältige Art und Weise verwirklicht werden. Zum Beispiel kann ein einfacher look-up table verwendet werden, oder der Kompensationsfaktor kann auf eine andere Art und Weise berechnet werden. In der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform wird der Kompensationsfaktor berechnet.
Linie A der Fig. 3 stellt eine Annäherung mit konstanter Steigung an einen nicht linearen optimalen Kompensationsfaktor dar. Wie Fachleute erkennen, ist es oft schwierig, die komplexen mathematischen Verhältnisse zu beschreiben, und es werden als solche einfachere Annäherungen als guter praktischer Ersatz verwendet, der in die digitalen Systeme implementiert werden kann. Demzufolge implementiert die in Fig. 2 gezeigte Ausführungsform kein präzises, nicht lineares optimales Verhältnis zwischen Kompensationsfaktor und Spannungsvariation, sondern sie implementiert eine lineare Annäherung, die mit dem durch die Linie A dargestellten Verhältnis, wie im weiteren beschrieben, in Beziehung steht. Als erstes wurde erkannt, daß das Verhältnis, das durch die Linie A dargestellt ist, durch Y = MX + C ausgedrückt werden kann, wobei Y den Kompensationsfaktor, M die Steigung der Linie A, X einen digitalen Wert, der die tatsächliche Gleichstromanschlußspannung darstellt, repräsentiert, und C eine Versetzung darstellt. Um die Eigenschaften der Linie A zu bestimmen, wurde die Steigung der Linie A berechnet. In dem Beispiel der Fig. 3 wurde die Steigung M mit ungefähr - 0,00646 ermittelt. Da der Bruch 0,00646 unpraktisch digital darzustellen war, wurde er mit einem großen Multiplikationsfaktor (in diesem Beispiel 2¹³ oder 8192) multipliziert, um eine ganze Dezimalzahl zu erzeugen, die in einem digitalen System verwendet werden konnte. In diesem Beispiel war die anfängliche Steigung ungefähr - 53. Da die rechte Seite der Gleichung mit 2¹³ multipliziert wurde, mußte die linke Seite auch mit der gleichen Zahl multipliziert werden, so daß der berechnete Kompensationsfaktor Y dann 2¹³ oder 8192 statt 1 sein würde, wenn der tatsächliche Gleichstromanschlußwert dem gewünschten Gleichstromanschlußwert entsprechen würde (oder wenn der normalisierte ADC- Wert 172 wäre). Unter der Verwendung dieser Zahlen wurde ein Wert C von - 17308 berechnet.
Es wurde dann bemerkt, daß die Auswahl der Versetzung C mit -17308 zwar den erwünschten Kompensationsfaktor erzeugt, wenn die tatsächliche Gleichstromanschlußspannung gleich der optimalen Gleichstromanschlußspannung ist, sie jedoch Versetzungsfehler bei Gleichstromanschlußspannungen erzeugt, die entweder stark oberhalb oder stark unterhalb der optimalen Gleichstromanschlußspannung lagen. Dies hätte zu einem Kompensationsfaktor geführt, der leicht unterschiedlich von dem erwünschten, durch die Linie A dargestellten Kompensationsfaktor ist. Demzufolge wurde beschlossen, andere Steigungen auszuwählen und die relativen Versetzungsfehler bei den höchsten und den niedrigsten erwarteten Gleichstromanschlußwerten für die unterschiedlichen Steigungen zu vergleichen. Es wurde dann eine Abwägung zwischen dem prozentualen Fehler und der Überkompensation am oberen Ende durchgeführt.
Die Fig. 4 stellt ein Beispiel dieser Berechnungen für Steigungen von -53, -54,
- 55, -56 und -57 dar. Das Diagramm in Fig. 4 zeigt Absolutwerte der Steigung M, der berechneten Versetzung C und dem Absolutwert des prozentualen Fehlers des erwünschten, durch die Linie A dargestellten Kompensationsfaktors für die größten und geringsten erwarteten Gleichstromanschlußspannungen. Die Steigung von -55 wurde in dem vorliegenden Beispiel ausgewählt, da sie die bevorzugte Abwägung zwischen dem prozentualen Fehler und der Überkompensation bei hoher Spannung darstellt. Die geringste erwartete Gleichstromanschlußspannung wurde verwendet, um die Steigung zu bestimmen, da man annimmt, daß es besser ist, zuviel Kompensation des Gleichstromanschlusses bei hohen tatsächlichen Gleichstromanschlußspannungen zu haben als nicht genug Kompensation bei niedrigen tatsächlichen Gleichstromanschlußspannungen. Wenn eine Steigung von -55 verwendet wird, ergibt sich der berechnete Versetzungsfaktor C mit 17.652.
Die Auswahl einer Steigung von -55 wurde für das spezielle, näher beschriebene Beispiel gemacht. In Abhängigkeit von der Konstruktion des Motors, der erwünschten Betriebspunkte und der Zielsetzungen des Systemgestalters, können andere geeignete Steigungen leicht ausgewählt werden. Mit nochmaligem Bezug auf Fig. 2, welche eine Ausführungsform zeigt, welche eine Steigung von -55 verwendet, wird die gemittelte Gleichstromanschlußspannung, die in Schritt 44 hergeleitet wurde (und welche dem Wert X in der oben dargestellten Gleichung entspricht), mit dem Steigungswert 55 (fünfundfünfzig) in Schritt 46 multipliziert. Der negative Wert der Steigung ist bekannt und wird in dem Beispiel der Fig. 2 nicht verwendet. Die Multiplikation der gemittelten Anschlußspannung mit 55 in Schritt 46 ermöglicht die Bestimmung einer entsprechenden Gleichstromanschlußspannungsvariation. Um die Gleichung Y = MX + C zu vervollständigen, ist es notwendig, den Wert, der durch die Multiplikation der gemittelten Gleichstromanschlußspannung mit 55 erhalten wurde, von 17.652 in Schritt 48 zu subtrahieren, um den Kompensationsfaktor Y zu erzeugen. Nach Berechnung des Kompensationsfaktors muß der digitale Gleichstromanschlußspannungs-Kompensator der vorliegenden Erfindung dann die gemessene Motorgeschwindigkeit 20 anpassen, um den Kompensationsfaktor wiederzugeben. Dies wird im allgemeinen durch Multiplikation der tatsächlichen Motorgeschwindigkeit 20 mit dem Kompensationsfaktor erreicht, um ein kompensiertes Geschwindigkeitssignal 30 zu erzeugen. Dieses Signal wird der Steuereinrichtung 32 wie oben beschrieben zugeführt.
In der Ausführungsform der Fig. 2 werden Skalierungs-, Normalisierungs- und Multiplikationsfaktoren verwendet, um das tatsächliche Geschwindigkeitssignal 20 in das kompensierte Geschwindigkeitssignal 30 zu konvertieren. Die Skalierungsfaktoren, Normalisierungsfaktoren und Multiplikatoren werden verwendet, um die Implementation des vorliegenden Verfahrens in ein digitales System zu optimieren und Skalierungs- und Versetzungsfaktoren zu kompensieren, die verwendet werden, um den Kompensationsfaktor aus der tatsächlichen Gleichstromanschlußspannung zu berechnen. Fachleute erkennen, daß diese Faktoren und Multiplikatoren verändert und modifiziert werden können, ohne daß von der vorliegenden Erfindung abgewichen wird. In der Ausführungsform der Fig. 2 wird das tatsächliche Geschwindigkeitssignal 20 von dem Geschwindigkeitsmeßblock 18 empfangen und von dem digitalen Gleichstromanschlußspannungs- Kompensationsblock 22 in Schritt 50 eingelesen. Das Wissen der tatsächlichen Geschwindigkeit stellt eine Grundlinie dar, die gemäß der Gleichstromanschlußspannungsvariationen verändert wird. Wenn das tatsächliche Geschwindigkeitssignal einmal in Schritt 50 eingelesen ist, wird es in Schritt 52 normalisiert. Die Normalisierung erfordert hier die Begrenzung von Werten größer als 21&sup5;&supmin;¹ = 32.767 auf 32.767. Dieser Schritt stellt sicher, daß das maximale Geschwindigkeitssignal, das verwendet wird, um ein kompensiertes Geschwindigkeitssignal bereitzustellen, nie größer als 32.767 ist.
In Schritt S4 wird die normalisierte, tatsächliche Geschwindigkeit in digitaler Form mit dem digitalen Kompensationsfaktor, der in Schritt 48 berechnet wurde, multipliziert, um eine digitale Ausgabe zu erzeugen, die ein kompensiertes Geschwindigkeitssignal 30 darstellt. Das digitale kompensierte Geschwindigkeitssignal 30 kann dann der Motorsteuereinrichtung 32 bereitgestellt werden, um den Motorbetrieb, wie oben beschrieben, zu steuern.
In der Ausführungsform der Fig. 2 wird das digitale Kompensationsgeschwindigkeitssignal zuerst skaliert und dann begrenzt, bevor es der Motorsteuereinrichtung bereitgestellt wird. In Fig. 2 tritt die Skalierung in Schritt 58 auf, wo das kompensierte Geschwindigkeitssignal durch einen Divisor mit dem Wert 21 s (8.192) · 2&sup7; (128) = 22º (1.048.576) geteilt wird, um eine skalierte, kompensierte Geschwindigkeit in Schritt S6 zu erzeugen. Die Komponente des Divisors mit dem Wert 2¹³ (8.192) versetzt die Multiplikation der Steigung um die gleiche obige Nummer. Die Komponente mit dem Wert 2&sup7; (128) hilft, um die unkompensierte Geschwindigkeit auf einen 8 (acht) Bit-Bereich zu skalieren. Das Anpassen der skalierten, kompensierten Geschwindigkeit auf einen 8-Bit-Bereich wird durch das Abschneiden von Werten oberhalb von 8 Bit in Schritt 58 vervollständigt. Somit führt in der Ausführungsform von Fig. 2 Schritt 58 zu der Herstellung von einem 8-Bit skalierten, kompensierten Geschwindigkeitssignal 30, das an die Steuereinrichtung 32 des geschalteten Reluktanzmotors übertragen wird.
Das kompensierte Geschwindigkeitssignal 30 hat die Funktion, der Steuerungseinrichtung 32 des geschalteten Reluktanzmotors eine Möglichkeit zu geben, Anpassungen an die Pulsgröße, die Dauer und die zeitliche Abstimmung vorzunehmen, die auf Variationen in der Gleichstromanschlußspannung basieren. Das kompensierte Geschwindigkeitssignal 30 liegt in einem Bereich von akzeptablen Gleichstromanschlußspannungen 24, wie sie in einer vorher beschriebenen Ausführungsform der Erfindung normalisiert und abgeschnitten sind.
Hier wurde ein Gleichstromanschlußspannungs-Kompensationssystem und ein Verfahren beschrieben, das ein Geschwindigkeitsanzeigesignal in Antwort auf eine Variation in der Gleichstromanscblußspannung anpaßt.
Das Programmlisting, das als Anhang A beigefügt ist, ist ein repräsentatives Listing von einer Softwareroutine, die verwendet werden kann, um ein Gleichstromspannungs-Kompensationssystem in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung zu konstruieren.
Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung stellt ein digitales Gleichstromanschlußspannungs-Kompensationssystem bereit, das ein Rotorgeschwindigkeitssignal in Antwort auf eine Variation in der Gleichstromanschlußspannung anpaßt. Das digitale Spannungskompensationssystem stellt verbesserte Genauigkeit und eine bessere Steuerung der Rotorgeschwindigkeit und des Drehmoments auf eine preiswerte Art und Weise bereit.
Obwohl die Erfindung vielfältigen Modifikationen und abgeänderten Ausgestaltungen unterliegen kann, wurden eine Anzahl von speziellen Ausführungsformen beispielhaft in den Zeichnungen dargestellt und im Detail beschrieben. Man sollte jedoch verstehen, daß dies nicht mit der Absicht gemacht wurde, um die Erfindung auf spezielle offenbarte Ausgestaltungen zu beschränken. Im Gegensatz dazu soll die Erfindung alle Modifikationen, Äquivalente und Alternativen abdecken, die innerhalb des Schutzbereichs der Erfindung liegen, wie er durch die beigefügten Ansprüche definiert ist.

Claims

1. Verfahren zum Kompensieren von Abweichungen bei einer tatsächlichen Gleichstromanscblußspannung von einer vorbestimmten Gleichstromanschlußspannung, die an einem elektrischen Maschinenantrieb angelegt ist, der eine elektrische Maschine mit einem Rotor und einer Steuereinrichtung zur Steuerung der Maschine in Antwort auf ein Geschwindigkeitssignal umfaßt, wobei das Verfahren die Schritte umfaßt:

- periodisches Abtasten der tatsächlichen Gleichstromanschlußspannung und Umwandeln der abgetasteten Gleichstromanschlußspannung in eine digitale Darstellung der Anschlußspannung;

- periodisches Abtasten der tatsächlichen Rotorgeschwindigkeit und Umwandeln der abgetasteten Rotorgeschwindigkeit in eine digitale Geschwindigkeitsdarstellung;

- Modifizieren der digitalen Geschwindigkeitsdarstellung gemäß der digitalen Darstellung der Anschlußspannung, um ein kompensiertes Geschwindigkeitssignal zu erzeugen; und

- Übertragen des kompensierten Geschwindigkeitssignals an die Steuereinrichtung der elektrischen Maschine und Verwenden des kompensierten Geschwindigkeitssignals zur Steuerung der Maschine.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die digitale Geschwindigkeitsdarstellung mit einem Kompensationsfaktor multipliziert wird, der von der di gitalen Darstellung der Anschlußspannung erzeugt wird, um ein kompensiertes Geschwindigkeitssignal zu erzeugen.

3. Verfahren nach Anspruch 2, bei welchem der Kompensationsfaktor der vorbestimmten Gleichstromanschlußspannung geteilt durch dis tatsächliche Gleichstromanschlußspannung entspricht.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei welchem jede digitale Darstellung der Anschlußspannung eine Mittelung von einer Vielzahl von Abtastungen ist.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, das das Begrenzen der digitalen Darstellung der Gleichstromanschlußspannung umfaßt, um innerhalb eines vorbestimmten Bereiches zu sein.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, das das Begrenzen der digitalen Geschwindigkeitsdarstellung umfaßt, um innerhalb eines vorbestimmten Bereiches zu sein.

7. Kompensationssystem zum Kompensieren einer Abweichung einer tatsächlichen Gleichstromanschlußspannung von einer vorbestimmten Gleichstromanschlußspannung in einem elektrischen Antrieb, der eine elektrische Maschine mit einem Rotor (12) umfaßt, wobei das System umfaßt:

- Eine Einrichtung (26) zum periodischen Abtasten der tatsächlichen Gleichstromanschlußspannung und zum Umwandeln der abgetasteten Gleichstromanschlußspannung in eine digitale Darstellung der Anschlußspannung;

- eine Einrichtung (18) zum periodischen Abtasten einer tatsächlichen Rotorgeschwindigkeit und zum Umwandeln der abgetasteten Rotorgeschwindigkeit in eine digitale Geschwindigkeitsdarstellung;

- eine Einrichtung (22) zum Modifizieren der digitalen Geschwindigkeitsdarstellung gemäß der digitalen Darstellung der Anschlußspannung, um ein kompensiertes Geschwindigkeitssignal zu erzeugen, und

- eine Einrichtung (32) zum Steuern der Maschine in Übereinstimmung mit dem kompensierten Geschwindigkeitssignal.

8. System nach Anspruch 7, bei welchem die Einrichtung zum Abtasten der tatsächlichen Gleichstromanschlußspannung betrieben werden kann, um als eine digitale Darstellung der Anschlußspannung eine Mittelung von einer Vielzahl von abgetasteten Gleichstromanschlußspannungen zu erzeugen.

9. System nach Anspruch 7 oder 8, bei welchem die Einrichtung zum Modifizieren der digitalen Geschwindigkeitsdarstellung eine Einrichtung zum Begrenzen der digitalen Darstellung der Anschlußspannung umfaßt, um innerhalb eines vorbestimmten Bereiches zu sein.

10. System nach Anspruch 9, bei welchem die Einrichtung zum Modifizieren der digitalen Geschwindigkeitsdarstellung ferner eine Einrichtung zum Begrenzen der digitalen Geschwindigkeitsdarstellung umfaßt, um innerhalb eines vorbestimmten Bereiches zu sein.

11. System nach Anspruch 7, umfassend:

- eine Einrichtung zum Begrenzen der abgetasteten Gleichstromanschlußspannung, um in einem vorbestimmten Bereich zu sein;

- eine Einrichtung zum Akkumulieren einer Vielzahl von Spannungsabtastungen; und

- eine Einrichtung zum Mitteln der Spannungsabtastungen.

12. System nach Anspruch 8, bei welchem die Einrichtung zum Erzeugen des kompensierten Rotorgeschwindigkeitssignals ferner umfaßt:

- Eine digitale Einrichtung zum Begrenzen der abgetasteten Spannung durch das Setzen aller Spannungsabtastungen unterhalb eines unteren Wertes auf den unteren Wert und aller Spannungsabtastungen oberhalb eines oberen Wertes auf den oberen Wert;

- eine digitale Einrichtung zum Mitteln und Runden einer Vielzahl von Spannungsabtastungen;

- eine Einrichtung zum Multiplizieren der gemittelten und gerundeten Spannungsabtastungen, um einen Kompensationsfaktor zu erzeugen; eine Einrichtung zum Ermitteln der tatsächlichen Rotorgeschwindigkeit;

- eine digitale Einrichtung zum Begrenzen der digitalen Geschwindigkeitsdarstellung für Werte oberhalb einer vorbestimmten Schwelle;

- eine digitale Einrichtung zum Multiplizieren der digitalen Geschwindigkeitsdarstellung mit einem Kompensationsfaktor, um ein vorläufiges Rotorgeschwindigkeitssignal zu erzeugen;

- eine Einrichtung zum Dividieren des vorläufigen Rotorgeschwindigkeitssignal mit einem vorbestimmten Teiler, um ein skaliertes vorbestimmtes Geschwindigkeitssignal zu erzeugen; und

- eine Einrichtung zum Begrenzen der skalierten vorläufigen Rotorgeschwindigkeitssignale, die größer sind als eine vorbestimmte Größe, um das kompensierte Geschwindigkeitssignal zu erzeugen.

13. System nach Anspruch 12, bei welchem die Einrichtung zum Erzeugen des kompensierten Geschwindigkeitssignals einen Mikroprozessor umfaßt.