DE69723913T2

DE69723913T2 - System und Verfahren zum Schutz eines Einphasenmotors vor Freilaufströmen

Info

Publication number: DE69723913T2
Application number: DE1997623913
Authority: DE
Inventors: Roger Carlos Fort Wayne Becerra; Mark Aloysius Fort Wayne Brattoli
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1996-05-15
Filing date: 1997-05-13
Publication date: 2004-06-03
Anticipated expiration: 2017-05-14
Also published as: ES2205126T3; ITMI971096A1; EP0808010A2; ITMI971096A0; IT1291345B1; EP0808010B1; EP0808010A3; DE69723913D1; US5675231A

Description

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf ein Motorschutzsystem und insbesondere auf ein System mit einer Überstrom-Schutzschaltung zum Detektieren und Steuern von zirkulierenden Strömen in einem elektronisch steuerbaren Einphasenmotor unter Verwendung von einem einzigen Widerstands-Shunt.
Ein Motorsystem gemäß der Erfindung enthält üblicherweise einen bürstenlosen Gleichstrommotor mit einer Wechselrichterbrücke zum Antreiben des Motors. Die Wechselrichterbrükke hat eine Anzahl von Leistungsschaltvorrichtungen mit einer Freilaufdiode, die mit jeder der Vorrichtungen verbunden ist, und sie wird dazu verwendet, die Motorwicklungen mit einer Energieversorgung über eine Energieversorgungsverbindung zu verbinden. Die Energieversorgungsverbindung hat positive und negative Schienen, die den Motor mit der Energieversorgung verbinden. Im allgemeinen liefert ein derartiges Motorsystem eine Pulsbreitenmodulation (PBM) der Energiezufuhr zu den Wicklungen, indem eine der Leistungsschaltvorrichtungen ein- und ausgeschaltet wird. Bei einem normalen PBM Steuerschema sperrt das Motorsystem eine Vorrichtung zur Zeit, was dazu führt, dass ein Freilaufstrom in der Wechselrichterbrücke zirkuliert. Diese zirkulierenden Ströme resultieren aus der Energie, die in den Induktivitäten der Phasenwicklung gespeichert ist, und fliessen durch eine Leistungsvorrichtung und eine Diode in der Wechselrichterbrücke. Im normalen Betrieb klingen die zirkulierenden Ströme rasch ab, weil die Gegen-Elektromotorische Kraft (EMK) des Motors dieser Strömung entgegengesetzt ist. Im abnormalen Betrieb sind jedoch die freigegebenen Leistungsschalter und die Polarität der Gegen-EMK nicht in Synchronismus und es werden zirkulierende Ströme generiert. Die Gegen-EMK bewirkt, dass die zirkulierenden Ströme ansteigen anstatt abklingen, was eine Beschädigung an den stromführenden Leistungsvorrichtungen und auch an den Permanentmagneten des Motors zur Folge haben kann. Eine momentane Umkehr der Rotation beim Start oder ein Positionsfehler aufgrund eines Versagens, die Rotorposition richtig abzutasten, sind Beispiele des abnormalen Betriebs, durch den zirkulierende Ströme vergrößert werden.
Im allgemeinen sind Stromsensoren in allen Phasen eines Motors erforderlich um zu ermitteln, welche Ströme in dem Motor sind. Die Kosten, die mit getrennten Stromsensoren (z. B. Stromwandler oder Hall-Effekt-Sensoren) und auch integrierten Stromsensoren verbunden sind, stehen jedoch häufig ihrer Verwendung in vielen Anwendungen entgegen. Die Verwendung eines einzelnen Stromabtastelements, wie beispielsweise eines widerstandsbehafteten Shunts, der in einer der DC Leistungs-Sammelschienen angeordnet ist, die einen Wechselrichter versorgen, ist ebenfalls bekannt. Sie sind zwar weniger kostspielig, aber die übliche Verwendung von derartigen Shunts hat mehrere Nachteile. Hauptsächlich sind Systeme, die nur ein einziges Stromabtastelement verwenden, nicht in der Lage, gefährliche zirkulierende Ströme in den Wechselrichter-Schaltern, Gleichrichtern und Motorphasen zu detektieren, weil diese Ströme nicht in einem Shunt-Widerstand (oder einem anderen Stromsensor) in der Energieversorgungsverbindung fließen und somit nicht erkannt werden können.
Eine Technik zum Detektieren und Steuern von zirkulierenden Strömen, die einen einzigen Shunt in dem negativen DC Bus verwendet, besteht darin, für eine Pulsbreitenmodulation der freigegebenen Leistungsschaltvorrichtungen (obere und untere) gleichzeitig zu sorgen. Als solcher ist Strom an dem Shunt detektierbar und kann mit einem Referenzwert verglichen werden. Leider hat jedoch diese Technik übermäßige Schaltverluste in den Leistungsvorrichtungen zur Folge, insbesondere für Motoren mit Nennleistungen in dem integralen Leistungsbereich. Eine andere Technik besteht darin, alle Leistungsschaltvorrichtungen gleichzeitig zu öffnen, während der Motor arbeitet. Diese Technik verringert jedoch in unerwünschter Weise die Drehmomenterzeugung.
Deshalb ist ein relativ billiges Mittel zum Detektieren und Steuern von zirkulierenden Strömen notwendig, das keine übermäßigen Leistungsverluste oder einen Verlust an Drehmonenterzeugung bewirkt.
Bürstenlose Gleichstrommotoren sind beispielsweise in den US-Patenten 5,423,192 und 4,757,241 und auch in der Anmel- dung mit der Anmeldenummer 08/352,393 beschrieben. Einphasenmotoren sind beispielsweise in den US-Patenten 5,483,139, 5,465,019, 5,140,243, 4,724,678, 4,635,349, 4,626,755, 4,313,076 und 3,134,385 beschrieben.
US 4,581,565 beschreibt einen H-Brückenwandler zum Steuern des Stroms von einem Gleichstrommotor durch Messen des Stroms mit einem Shunt-Widerstand. Die Schaltperioden sind fest.
EP 0,642,213 beschreibt einen drehzahlveränderlichen Motor mit einem Stromsensor in der DC-Verbindung. Eine Steuerschaltung definiert im voraus festgesetzte Perioden, in denen jeder der Leistungsschalter nicht-leitend sein kann. Freilaufströme werden verhindert durch das Ansprechen beim Sperren des Leistungsschalters an der Unterseite.
Zu den mehreren Aufgaben der Erfindung gehört die Schaffung von einem verbesserten Motorsystem und einem Steuerverfahren, die die Verwendung von einem einzigen Stromabtastelement gestatten; die Schaffung von einem derartigen System und Verfahren, die die Detektion und Steuerung von abnormalen zirkulierenden Strömen in dem Motor gestatten; die Schaffung eines derartigen Systems und Verfahrens, die zirkulierende Ströme durch das einzige Stromabtastelement unabhängig von einer Stromregelung in dem Motor zwingen; die Schaffung von einem derartigen System und Verfahren, die für ein minimales Intervall der Motorleitung sorgen; und die Schaffung von einer derartigen Stromregelschaltung, die ökonomisch sinnvoll und konmerziell praktikabel ist.
Kurz gesagt, enthält ein Einphasenmotor gemäß Aspekten der Erfindung eine stationäre Einrichtung mit einer Wicklung und eine drehbare Einrichtung in magnetischer Kopplungsrelation mit der stationären Einrichtung. Der Motor enthält auch eine Energieversorgungsverbindung mit Leistungsschaltern, die auf ein Motorsteuersignal ansprechen zum selektiven Verbinden der Wicklung mit einer Energieversorgung in abwechselnden Ein- und Aus-Intervallen, um ein elektromagnetisches Feld zum Drehen der drehbaren Einrichtung zu erzeugen. Eine Stromabtastschaltung tastet den Strom in der Energieversorgungsverbindung während der Ein-Intervalle der der Wicklung zugeführten Energie ab. Der Motor enthält ferner eine Stromregelschaltung und eine Überstromschaltung. Die Stromregelschaltung erzeugt ein Stromregelsignal, das die Differenz zwischen dem abgetasteten Strom in der Energieversorgungsverbindung und einem geregelten Spitzenstromwert darstellt, der eine Funktion der gewünschten Drehzahl und/oder des gewünschten Drehmoments des Motors ist. Die Überstromschaltung erzeugt ein Überstromsignal als Antwort auf den abgetasteten Strom in der Energieversorgungsverbindung, wenn dieser einen maximalen Stromwert größer als der geregelte Spitzenstromwert überschreitet. Der Motor hat auch eine Steuerschaltung, die auf das Stromregelsignal anspricht, zum Erzeugen des Motorsteuersignals, um dadurch den Strom in der Wicklung zu regeln und die Drehzahl und/oder das Drehmoment des Motors zu steuern. Wenigstens eines der Ein-Intervalle, wenn der Wicklung Energie zugeführt wird als Antwort auf das Motorsteuersignal, ist größer als oder gleich ein minimales Intervall, das vor. dem Stromregelsignal unabhängig ist. Die Steuerschaltung spricht auch auf das Überstromsignal an, was bewirkt, dass die Leistungsschalter die Wicklung von der Energieversorgung trennen, wodurch verhindert wird, dass ein überhöhter Strom in dem Motor zirkuliert.
Ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ein System zum Antreiben einer drehbaren Komponente von einer Waschmaschine. Das System enthält einen Einphasenmotor mit einer stationären Einrichtung und einer drehbaren Einrichtung in magnetischer Kopplungsrelation mit der stationären Einrichtung. Die stationäre Einrichtung hat eine Wicklung, und die drehbare Einrichtung ist in Antriebsrelation mit der drehbaren Kompcnente. Das System enthält auch eine Energieversorgungsverbindung mit Leistungsschaltern, die auf ein Motorsteuersignal anspre chen zum selektiven Verbinden der Wicklung mit einer Energieversorgung in abwechselnden Ein- und Aus-Intervallen, um ein elektromagnetisches Feld zum Drehen der drehbaren Einrichtung zu erzeugen. Eine Stromabtastschaltung fühlt Strom in der Energieversorgungsverbindung während der Ein-Intervalle der der Wicklung zugeführten Energie ab. Das System enthält ferner eine Stromregelschaltung und eine Überstromschaltung. Die Stromregelschaltung generiert ein Stromregelsignal, das die Differenz zwischen dem abgetasteten Strom in der Energieversorgungsverbindung und einem geregelten Spitzenstromwert darstellt, der eine Funktion von einer gewünschten Drehzahl und/oder einem gewünschten Drehmoment des Motors ist. Die Überstromschaltung generiert ein Überstromsignal als Antwort auf den abgetasteten Strom in der Energieversorgungsverbindung, wenn dieser einen maximalen Stromwert größer als der geregelte Spitzenstromwert überschreitet. Das System enthält auch eine Steuerschaltung, die auf das Stromregelsignal anspricht, zum Generieren des Motorsteuersignals, um dadurch Strom in der Wicklung zu regeln und die Drehzahl und/oder das Drehmoment des Motors zu steuern. Wenigstens eines der Intervalle, wenn der Wicklung als Antwort auf das Motorsteuersignal Energie zugeführt wird, ist größer als oder gleich einem minimalen Intervall, das unabhängig von dem Stromregelsignal ist. Die Steuerschaltung spricht auch auf das Überstromsignal an, was bewirkt, dass die Leistungsschalter die Wicklung von der Leistungsversorgung trennen, wodurch verhindert wird, dass ein überhöhter Strom in dem Motor zirkuliert.
Ein noch weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung ist eine Schutzschaltung für einen Einphasenmotor mit einer stationären Einrichtung, die eine Wicklung enthält, und einer drehbaren Einrichtung in magnetischer Kopplungsrelation mit der stationären Einrichtung. Der Motor hat auch eine Steuerschaltung zum Generieren eines Motorsteuersignals und eine Energieveraorgungsverbindung zum Zuführen von Energie von einer Energieversorgung zu der Wicklung. Die Energieversorgungsverbindung enthält Leistungsschalter, die auf das Motorsteuersignal ansprechen zum selektiven Verbinden der Wicklung mit der Energieversorgung in abwechselnden Ein- und Aus-Intervallen, um ein elek tromagnetisches Feld zum Drehen der drehbaren Einrichtung zu erzeugen. Die Schutzschaltung enthält eine Stromabtastschaltung, die Strom in der Energieversorgungsverbindung während der Ein-Intervalle abtastet, wenn der Wicklung Energie zugeführt wird. Die Schutzschaltung enthält auch erste und zweite Stromkomparatorschaltungen. Die erste Stromkomparatorschaltung vergleicht den abgetasteten Strom in der Leistungsversorgungsverbindung mit einem geregelten Spitzenstromwert und generiert ein Stromregelsignal, das die Differenz zwischen dem abgetasteten Strom und dem geregelten Spitzenstromwert darstellt. Der geregelte Spitzenstromwert ist eine Funktion von einer gewünschten Drehzahl und/oder einem gewünschten Drehmoment des Motors. Die Steuerschaltung des Motors spricht auf das Strcmregelsignal an zum Generieren des Motorsteuersignals, um dadurch Strom in der Wicklung zu regeln und die Drehzahl und/oder das Drehmoment des Motors zu steuern. Die zweite Stromkomparatcrschaltung vergleicht den abgetasteten Strom in der Energieversorgungsverbindung mit einem maximalen Stromwert, der größer als der geregelte Spitzenstromwert ist, und generiert ein Überstromsignal, wenn der abgetastete Strom den maximalen Stromwert während der Ein-Intervalle überschreitet, wenn der Wicklung Energie zugeführt wird. Wenigstens eines der Ein-Intervalle ist größer als oder gleich einem minimalen Intervall, das von dem Stromregelsignal unabhängig ist. Die Steuerschaltung spricht auch auf das Überstromsignal an, was bewirkt, dass die Leistungsschalter die Wicklung von der Energieversorgung trennen, um dadurch zu verhindern, dass ein übermäßiger Strom in dem Motor zirkuliert.
Gemäß einem noch weiteren Aspekt ist die Erfindung auf ein Verfahren zum Betreiben eines Einphasenmotors gerichtet. Der Motor hat eine stationäre Einrichtung mit einer Wicklung und eine drehbare Einrichtung in magnetischer Kopplungsrelation mit der stationären Einrichtung. Der Motor hat auch eine Energieversorgungsverbindung mit Leistungsschaltern zum Zuführen von Energie aus einer Energieversorgung zu der Wicklung. Das Verfahren enthält die Schritte des selektiven Verbindens der_ Wicklung mit der Energieversorgung in abwechselnden Ein- und Aus-Intervallen mit den Leistungsschaltern als Antwort auf ein Motorsteuersignal, um ein elektromagnetisches Feld zum Drehen der drehbaren Einrichtung zu erzeugen, und des Abtastens von Strom in der Energieversorgungsverbindung während der Ein-Intervalle, wenn der Wicklung Energie zugeführt wird. Das Verfahren enthält auch, dass ein Stromregelsignal und ein Überstromsignal erzeugt werden. Gemäß dem Verfahren stellt das Stromregelsignal die Differenz zwischen dem abgetasteten Strom in der Energieversorgungsverbindung und einem geregelten Spitzenstromwert dar, der eine Funktion von einer gewünschten Drehzahl und/oder einem gewünschten Drehmoment des Motors ist. Das Überstromsignal wird als Antwort auf den abgetasteten Strom in der Energieversorgungsverbindung erzeugt, wenn dieser einen maximalen Stromwert überschreitet, der größer als der geregelte Sgitzenstromwert ist. Das Verfahren enthält auch den Schritt, daß ein Motorsteuersignal als Antwort auf das Stromregelsignal erzeugt wird, um dadurch den Strom in der Wicklung zu regeln und die Drehzahl und/oder das Drehmoment des Motors zu steuern. Wenigstens eines der Intervalle, wenn der Wicklung als Antwort auf das Motorsteuersignal Energie zugeführt wird, ist größer als oder gleich einem minimalen Intervall, das von dem Stromregelsignal unabhängig ist. Das Verfahren enthält ferner den Schritt, dass ein Motorsteuersignal als Antwort auf das Überstromsignal erzeugt wird, um zu bewirken, dass die Leistungs-schalter die Wicklung von der Energieversorgung trennen, um dadurch zu verhindern, dass ein überhöhter Strom in dem Motor zirkuliert.
Gemäß einem noch weiteren Aspekt ist die Erfindung auf ein Verfahren zum Betreiben eines Systems zum Antreiben einer drehbaren Komponente von einer Wascheinrichtung gerichtet. Das System enthält einen Einphasenmotor mit einer stationären Einrichtung und einer drehbaren Einrichtung in magnetischer Kopplungsrelation mit der stationären Einrichtung. Die stationäre Einrichtung enthält eine Wicklung und die drehbare Einrichtung ist in Antriebsrelation mit der drehbaren Komponente. Der Motor hat auch eine Energieversorgungsverbindung, die Leistungsschalter zum Zuführen von Energie von einer Energieversorgung zu der Wicklung enthält. Das Verfahren enthält die Schritte, dass die Wicklung selektiv mit der Energieversorgung in abwechselnden Ein- und Aus-Intervallen mit den Leistungsschaltern als Antwort auf ein Motorsteuersignal verbunden wird, um ein elektromagetisches Feld zum Drehen der drehbaren Einrichtung zu erzeugen, und dass Strom in der Energieversorgungsverbindung während der Ein-Intervalle abgefühlt wird, wenn der Wicklung Energie zugeführt wird. Das Verfahren enthält auch, dass ein Stromregelsignal und ein Überstromsignal generiert werden. Gemäß dem Verfahren spricht das Stromregelsignal auf die Differenz zwischen dem abgetasteten Strom in der Energieversorgungsverbindung und einem geregelten Spitzenstromwert an, der eine Funktion von einer gewünschten Drehzahl und/oder einem gewünschten Drehmoment des Motors ist. Das Überstromsignal wird als Antwort auf den abgetasteten Strom in der Energieversorgungsverbindung erzeugt, wenn dieser einen maximalen Stromwert überschreitet, der größer als der geregelte Spitzenstromwert ist. Das Verfahren enthält ferner den Schritt, dass ein Motorsteuersignal als Antwort auf das Stromregelsignal erzeugt wird, um dadurch den Strom in der Wicklung zu regeln und die Drehzahl und/oder das Drehmoment des Motors zu steuern. Wenigstens eines der Intervalle, wenn der Wicklung als Antwort auf das Motorsteuersignal Energie zugeführt wird, ist größer als oder gleich einem minimalen Intervall, das von dem Stromregelsignal unabhängig ist. Das Verfahren enthält ferner den Schritt, dass das Motorsteuersignal als Antwort auf das Überstromsignal erzeugt wird, um zu bewirken, dass die Leistungsschalter die Wicklung von der Energieversorgung trennen, um dadurch zu verhindern, dass ein überhöhter Strom in dem Motor zirkuliert.
Gemäß einem noch weiteren Aspekt ist die Erfindung auf ein Verfahren zum Schützen eines Einphasenmotors vor überhöhten Strömen gerichtet, die in dem Motor zirkulieren. Der Motor hat eine stationäre Einrichtung mit einer Wicklung und eine drehbare Einrichtung in magnetischer Kopplungsrelation mit der stationären Einrichtung. Der Motor hat auch eine Steuerschaltung zum Erzeugen eines Motorsteuersignals und eine Energieversorgungsverbindung zum Zuführen von Energie aus einer Energieversorgung zu der Wicklung. Die Energieversorgungsverbindung enthält Leistungsschalter, die auf das Motorsteuersignal ansprechen zum selektiven Verbinden der Wicklung mit der Energiever sorgung in abwechselnden Ein- und Aus-Intervallen, um ein elektromagnetisches Feld zum Drehen der drehbaren Einrichtung zu erzeugen. Das Verfahren enthält den Schritt, dass Strom in der Energieversorgungsverbindung während der Ein-Intervalle abcefühlt wird, wenn der Wicklung Energie zugeführt wird. Das Verfahren enthält auch, dass der abgetastete Strom in der Energieversorgungsverbindung mit einem geregelten Spitzenstromwert verglichen wird, der eine Funktion von einer gewünschten Drehzahl und/oder einem gewünschten Drehmoment des Motors ist, und dass ein Stromregelsignal erzeugt wird, das die Differenz zwischen dem abgetasteten Strom und dem geregelten Spitzenstromwert darstellt. Die Steuerschaltung spricht auf das Stromregelsignal an zum Erzeugen des Motorsteuersignals, um dadurch den Strom in der Wicklung zu regeln und die Drehzahl und/oder das Drehmoment des Motors zu steuern. Das Verfahren enthält ferner den Schritt, dass ein minimales Intervall unabhängig von dem Stromregelsignal definiert wird, während dem die Wicklung mit der Energieversorgung verbunden ist, wobei wenigstens eines der Ein-Intervalle, wenn der Wicklung Energie zugeführt wird als Antwort auf das Motorsteuersignal, größer als oder gleich dem minimalen Intervall ist. Das Verfahren enthält auch die Schritte, dass der abgetastete Strom in der Energieversorgungsverbindung mit einem maximalen Stromwert, der größer als der gereelte Spitzenstromwert ist, verglichen wird und ein Überstromsignal erzeugt wird, wenn der abgetastete Strom den maximalen Stromwert überschreitet. Das Verfahren enthält auch den Schritt, dass veranlasst wird, dass die Leistungsschalter die Wicklung von der Energieversorgung als Antwort auf das Überstromsignal trennen, um zu verhindern, dass ein übermäßiger Strom in dem Motor zirkuliert.
Es werden nun Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen:
1 ein Blockdiagramm von einem bevorzugten Ausführungsbeispiel von einem Motorantriebssystem gemäß der Erfindung ist und das eine Stromkomparatorschaltung und eine Steuerschaltung gemäß der Erfindung aufweist;
2 ein schematisches Diagramm von einer Wechselrichterbrücke zum Antreiben des Motors gemäß 1 ist;
3A–3D schematische Diagramme sind, die als Beispiel Schaltungstopologien in dem Motor gemäß 1 darstellen;
4 ein schematisches Diagramm von der Stromkomparatorschaltung gemäß 1 ist;
5A–5E Beispiele von Zeitsteuerdiagrammen sind, die die Relation der Gegen-EMK und des Spitzenstroms in den Motor gemäß 1 für eine bevorzugte Kommutierungsstrategie gemäß der Erfindung darstellen;
6A–6D als Beispiel Zeitsteuerdiagramme sind, die die Relation zwischen den Strömen in dem Motor gemäß 1 und eine Stromregelung für einen normalen und abnormalen Betrieb des Motors gemäß 1 gemäß der Kommutierungsstrategie der 5A–5E darstellen.
Entsprechende Bezugszahlen bezeichnen in den Zeichnungen entsprechende Teile.
1 zeigt ein System 100 gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das System 1 kann mit einer automatischen Waschmaschine 102 verwendet werden und enthält einen Motor 104 zum Antreiben einer drehbaren Komponente 106 der Waschmaschine 102. Der Motor 104 hat eine stationäre Einrichtung oder einen Stator 108 und eine drehbare Einrichtung oder einen Rotor 110 in magnetischer Kopplungsrelation mit dem Stator 108. Erfindungsgemäß ist der Motor 104 ein einphasiger, elektronisch kommutierter Motor. Es sei jedoch darauf hingewiesen, dass der Motor 104 irgendein elektronisch steuerbarer Motor sein kann. Derartige Motoren können irgendein elektronisch steuerbarer Motor oder eine dynamoelektrische Maschine sein, die üblicherweise durch eine elektronische Kommutierungsschaltung gespeist werden. Derartige Motoren umfassen beispielsweise Außenrotormotoren (d. h. Innenseite-außen-Motoren), Permanentmagnetmotoren, eine Drehzahl oder eine variable Drehzahl aufweisende Motoren, eine wählbare Drehzahl aufweisende Motoren, die mehrere Drehzahlen haben, und bürstenlose Gleichstrommotoren einschließlich elektronisch kommutier ten Motoren, geschalteten Reluktanzmotoren und Induktionsmotoren. Weiterhin können die Motoren mehrphasige Motoren oder einphasige Motoren sein, und in jedem Fall können derartige: Motoren eine einzige Spaltphasenwicklung oder eine Mehrphasenwicklung haben. Derartige Motoren können auch für eine oder mehrere endliche, diskrete Rotordrehzahlen sorgen, die durch einen elektrischen Schalter oder eine andere Steuerschaltung gewählt werden.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der Rotor 110 mechanisch über einer Motorwelle 112 mit einer bestimmten, anzutreibenden Vorrichtung verbunden, wie beispielsweise der drehbaren Komponente 106. Beispielsweise weist die drehbare Komponente 106 eine Bewegungseinrichtung 114 und/oder eine Trommel 116 auf, die in der Waschmaschine 102 enthalten sind. Vorzugsweise enthält die Waschmaschine 102 auch einen Verbindungsmechanismus 118 zum Verbinden der drehbaren Komponente 106 mit der Welle 112. Der Verbindungsmechanismus 118 kann einen Drehzahlreduzierer mit festem Verhältnis aufweisen, wie beispielsweise eine Getriebebox oder eine Riemenanordnung, oder, in gewissen Anwendungsfällen, kann die Welle 112 des Motors 104 direkt mit der Bewegungseinrichtung 114 und der Trommel 116 verbunden sein. Auch wenn er für eine Verwendung mit der Bewegungseinrichtung 114 und der Trommel 116 beschrieben wird, sei darauf hingewiesen, dass der Motor 104 Teil von einer Anzahl unterschiedlicher Systeme zum Antreiben einer drehbaren Komponente sein kann. Beispielsweise kann die drehbare Komponente 106 ein Lüfter oder Verdichter sein.
In einer Wascheinrichtung, wie beispielsweise der Waschmaschine 102, sind die Bewegungseinrichtung 114 und die Trommel 116 in einem Bottich (nicht gezeigt) drehbar, der das Wasser zum Waschen der zu waschenden Wäsche festhält. Vorzugsweise sind die Bewegungseinrichtung 14 und die Trommel 116 koaxial angebracht und werden entweder unabhängig oder gemeinsam um ihre gemeinsame Achse gedreht. Die Bewegungseinrichtung 114 und die Trommel 116 bewegen zusammen das Wasser und die zu waschende Wäsche, wodurch die Wäsche gewaschen wird, und anschließend wird sie geschleudert, um durch Zentrifugalkraft Wasser aus dem Bottich zu entfernen. Der Motor 104 ist durch den Verbindungsmechanismus 118 während des Waschzyklus mit der Bewegungseinrichtung 114 allein und in dem Schleuderzyklus sowohl mit der Trommel 116 als auch der Bewegungseinrichtung 114 verbunden.
Das System 100 enthält vorzugsweise ein Benutzer-Interface 120 zum Liefern von Systemsteuersignalen an eine Regelschaltung 122 über eine Leitung 124. Beispielsweise stellen die Systemsteuersignale gewünschte Waschzeiten, gewünschte Waschzyklen und ähnliches dar. Wie durch das Blockdiagramm in 1 dargestellt ist, liefert die Regelschaltung 122 ein Motorsteuersignal oder Kommutierungssignal über eine Leitung 126 in der Form von Gate-Treibersignalen zum elektronischen Steuern einer Anzahl von Gate-Treibern 128. Die Gate-Treiber 128 liefern ihrerseits genügend Signalkonditionierung über eine Leitung 130 zum Schalten einer Anzahl von Leistungsschaltern 132, wie beispielsweise IGBTs, BJTs oder MOSFETs. Zusätzlich zum Liefern von Spannungssignalen, die beispielsweise von 5 Volt bis 15 Volt verschoben sind zum Treiben der Leistungsschalter 132 konditionieren die Gate-Treiber 128 auch die Signale, die von der Regelschaltung 122 über die Leitung 126 für einen optimalen Betrieb der Leistungsschalter 132 geliefert werden. Die Leistungsschalter 132, die durch die Gate-Treiber 128 getrieben sind, steuern die Rotation des Motors 104 als Antwort auf das Kommutierungssignal.
Eine Energieversorgung 134 liefert Hochspannungs-Gleichstromleistung über Leitungen 136 an die Leistungsschalter 132 zum Kommutieren einer Wicklung 310 (siehe 3A–3D), die in dem Stator 108 des Motors 104 enthalten ist. Die Leistungsschalter 132 liefern Leistung über die Leitung 138 zum Motor 104 in wenigstens einer vorgewählten Sequenz, indem die Energieversorgung 134 selektiv in eine Verbindung mit der Wicklung 310 geschaltet wird. Somit bilden die Leitungen 136 und 138 in Kombination mit den Leistungsschaltern 132 eine Energieversorgungsverbindung zum Verbinden der Energieversorgung 134 mit der Wicklung 310. Es sei darauf hingewiesen, dass die Energieversorgung 134 auch Energie zum Betreiben der Regelschaltung 122 liefern kann, die die Leistungsschalter 132 über die Gate-Treiber 128 treibt.
Gemäß der Erfindung erzeugt die Regelschaltung 122 Motorsteuersignale oder Kommutierungssignale über die Leitunc 126. Die Kommutierungssignal bewirken, dass das System 100 einen Spitzenstrom erzeugt, der den Lastdrehmomentbedarf als eine Funktion von einem geregelten Spitzenstrom-Referenzsignal IREF anpasst. Das Anpassen der Drehmomentlast mit dem erzeugten Drehmoment bewirkt, dass der Motor 104 bei einem gewünschten Drehmoment oder einer gewünschten Drehzahl arbeitet. Die Kcmmutierungssignale enthalten vorzugsweise eine Serie von pulsbreitenmodulierten Zyklen bzw. Perioden, wobei jeder Zyklus ein entsprechendes Schaltereignis der Leistungsschalter 132 bewirkt. Die Wicklung 310 des Motors 104 ist eingerichtet, in wenigstens einer vorgewählten Sequenz kommutiert zu werden, und die Leistungsschalter 132 liefern selektiv Energie an die Wicklung 310 in der vorgewählten Sequenz. Der Strom in der Wicklung 310 erzeugt ein elektromagnetisches Feld zum Drehen des Rotors 110 des Motors 104. Um die Drehzahl der Komponente 106 zu steuern, steuert das System 100 vorzugsweise die Drehzahl des Motors 104, indem die der Last zugeführte Energie gesteuert wird. Durch Regeln des Stroms im Motor 104, der seinerseits das Drehmoment regelt, erhält das System 100 die gewünschte bzw. die Soll-Motordrehzahl, indem die Last und das Motorverlust-Bedarfsdrehmoment bei der gewünschten Drehzahl angepasst werden.
Wie weiterhin in 1 gezeigt ist, enthält das System 100 auch eine Stromkomparatorschaltung 140 (im Detail in 4 gezeigt) zum Abtasten von Strom in der Energieversorgungsverbindung. Die Stromkomparatorschaltung arbeitet mit einem Mikrocontroller 142, der sich in der Regelschaltung 122 befindet, zusammen zum Regeln des Stroms in dem System 100. Insbesondere regeln, wie nachfolgend im Detail beschrieben wird, der Mikrocontroller 142 und die Komparatorschaltung 140 zirkulierende Ströme im Motor 104 während Perioden oder Intervallen, wenn nur einer der Leistungsschalter 132 leitend ist. 1 stellt den Stromkomparator 140 außerhalb der Regelschaltung 122 und den Mikrocontroller 142 innerhalb der Regelschaltung 122 dar. Alternativ können beide Schaltungen entweder intern oder extern von der Regelschaltung 122 sein.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung fühlt die Stromkomparatorschaltung 140 zunächst den Strom in der Energieversorgungsverbindung ab. Wie in 4 gezeigt ist, weist die Stromkomparatorschaltung 140 zwei Stromkomparatorschaltungen auf zum unabhängigen Vergleichen des abgefühlten Stroms mit einem geregelten Spitzenstromwert und mit einem maximalen Stromwert. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird der geregelte Spitzenstromwert durch einen Prozessor, wie beispielsweise den Mikrocontroller 142, ermittelt und zu der Stromkomparatorschaltung 140 über eine Leitung 144 kommuniziert. Vorzugsweise ist diese gewünschte Stromreferenz ein pulsbreitenmoduliertes Signal IREF mit einem variablen Tastverhältnis, das den gewünschten bzw. Sollstrom darstellt. Beispielsweise kann das Tastverhältnis von IREF von 0% bis 100% variieren, wobei 100% einem geregelten maximalen Stromwert entspricht und das Tastverhältnis proportional zu dem Sollstrom ist. In der Alternative generiert die Regelschaltung 122 ein variables Spannungssignal, dessen Größe den Sollstrom darstellt. Andere geeignete Mittel zum Generieren des geregelten Spitzenstromwertes enthalten eine einfache Widerstandsschaltung oder Potentiometer.
Die Stromkomparatorschaltung 140 vergleicht den abgefühlten Strom in der Energieversorgungsverbindung mit dem geregelten Spitzenstromwert, wie er durch IREF dargestellt ist, und generiert ein Stromregelsignal CURREG als eine Funktion des Vergleiches. Die Regelschaltung 122 empfängt das Signal CURREG über die Leitung 146 zum Regeln des Stroms im Motor 104. Eine Pulsbreitenmodulations(PBM)-Statusmaschine, gezeigt als Teil des Mikrocontrollers 142 in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel, generiert Schaltbefehle als eine Funktion von CURREG, um eine Stromregelung im System 100 zu bewirken. Auf diese Weise regelt das System 100 die Drehzahl und/oder das Drehmoment dies Motors 104 als eine Funktion des Stromregelsignals CURREG. Al-ternativ ist es möglich, dass das System 100 eine spannungsge regelte Steuerstrategie anstatt einer stromgeregelten implementieren kann.
Beispielsweise werden zwei Schalter 132 durch die Regelschaltung 122 für einen normalen Motorbetrieb freigegeben. Die Statusmaschine des Mikrocontrollers 142, die als eine Kommutator-Schätzschaltung arbeitet, bewirkt, dass die zwei Schalter 132 freigegeben werden, wobei der eine der zwei eine Pulsbreitenmodulation ausführt, während der andere für das gesamte Kommutierungsintervall in seinem Einschaltzustand bleibt, sie es durch die Kommutierungslogik befohlen wird. Die Polarität der Gegen-EMK des Motors ist während dieses Zeitintervalls entgegengesetzt zu der Versorgungsspannung, so dass die antreibende elektromotorische Kraft, um Strom im Motor 104 zu entwikkeln, die Versorgung minus die Gegen-EMK ist.
Die Stromkomparatorschaltung 140 vergleicht ferner den abgefühlten Strom in der Energieversorgungsverbindung mit dem maximalen Stromwert. Dez maximale Stromwert ist beispielsweise 20–50% größer als der geregelte Spitzenstromwert. Vorzugsweise ist der maximale Stromwert fixiert gemäß den Leistungseinschränkungen der Leistungsschalter 132, der Regelschaltung 122 und/oder des Motors 104. Die Stromkomparatorschaltung 140 vergleicht den abgetasteten Strom in der Energieversorgungsverbindung mit dem maximalen Stromwert und generiert ein Überstromsignal OCTRIP, wenn der abgefühlte Strom den maximalen Stromwert überschreitet. Die Regelschaltung 122 empfängt ihrerseits das Signal OCTRIP über eine Leitung 148 und stellt die PBM Statusmaschine dementsprechend ein, um die Leistungsschalter 132 zu sperren und die Wicklung 310 von der Energieversorgung 134 zu trennen. Auf diese Weise verhindert das System 100 überhöhte Ströme in dem Motor 104.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung bestehen die Leistungsschalter 132 aus einer Wechselrichter-Brücke, die mehrere Schalter 212A, 212B, 214A, 214B und entsprechende Freilaufdioden 216A, 216B, 218A, 218B aufweist (in 2 im Detail gezeigt). Durch selektives Schalten der Leistungsschalter 132 speist das System 100 die Wicklung 310 des Motors 104. Die Regelschaltung 122 befiehlt ferner zu Steuerzwecken eine Pulsbreitenmodulation (PBM bzw. PWM von Puls Vlidth Modulaion) der Leistung, die der gespeisten Wicklung 310 zugeführt wird. Das System 100 sorgt für eine PBM Steuerung der der Wicklung 310 zugeführten Energie, indem die Leistungsschalter 132 ein- und ausgeschaltet werden. Auf diese Weise bewirkt das PBM Steuerschema des Systems 100, dass ein Freilaufstrom zirkuliert, wenn nur einer der Leistungsschalter 132 und eine Freilaufdiode leitend sind. Die Wechselrichter-Brücke 210 wird vorzugsweise von einem einzigen Kommutierungssignal angesteuert, das die Schalter 212A und 214B oder 212B und 214A wählt, was von der Position des Rotors 110 abhängt. Nur ein Schalter (z.B. Schalter 214A oder 214B) ist zu einer gegebenen Zeit in die Stromregelung (Pulsbreitenmodulation) involviert. Als ein Beispiel zeigt das gemeinsam übertragene US-Patent 4,757,603, dessen gesamte Offenbarung durch diese Bezugnahme in die vorliegende Offenbarung eingeschlossen wird, eine PBM Steuerung von einem Motor.
Gemäß 1 empfängt die Regelschaltung 122 Signale über eine Leitung 150 von dem Motor 104, die die Position des Rotors 110 darstellen. Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung liefert ein Hall-Sensor (nicht gezeigt) Positions-Rückführungssignale zur Regelschaltung 122. Zwei Hall-Sensoren (nicht gezeigt), die 90° phasenverschoben zueinander angeordnet sind, können verwendet werden, wenn die bestimmt Anwendung der Erfindung schnellere Umkehrungen erfordert. In einem alternativen Ausführungsbeispiel empfängt die Regelschaltung 122 Positions-Rückführungssignale, die eine elektromotorische Gegenkraft (EMK) in der Wicklung 310 darstellen. Es können auch andere Positionssensoren, wie beispielsweise optische Sensoren, verwendet werden, um eine Rückführung betreffend die Position des Rotors 110 anstelle von oder zusätzlich zu den Hall-Sensorsignalen oder dem Gegen-EMK-Signal zu liefern. Vorzugsweise ist das Rotorpositions-Rückführungssignal in einer vordefinierten Winkelbeziehung von der Gegen-EMK des Motors. Da es erwünscht ist, dass der Motorstrom zu der Zeit durch Null geht, zu der die Gegen-EMK des Motors auch durch Null geht, wird in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung der Motor 104 an einem Winkel kommutiert, bevor die Gegen-EMK durch Null läuft.
Die Regelschaltung 122 ermittelt die Position des Rotors 110 als eine Funktion der Nulldurchgänge und generiert daraufhin Kommutierungssignale. Die Kommutierungs-Augenblicke der Wicklung 310 werden aus der Information über die Nulldurchgänge der Gegen-EMK in der Wicklung 310 ermittelt. Die Drehmomenterzeugung im Motor 104 wird dann durch das Produkt des Stroms und der Gegen-EMK ermittelt. Es ist notwendig, die Wicklung 310 zu erregen, wenn die Gegen-EMK in derjenigen Richtung durch Null gelaufen ist, die der Spannung entgegengerichtet ist, die sie erregt, um ein positives Drehmoment zu unterstützen. Mit anderen Worten, die Regelschaltung 122 steuert die Kommutierung als eine Funktion der vergangenen Zeit zwischen Kommutierungen und den geschätzten Nulldurchgängen der Kurve der Gegen-EMK und generiert Gate-Treibersignale auf der Leitung 126 zum Treiben der Leistungsschalter 132 als Antwort auf die Positionsabtastung. Das gleichzeitig übertragene US-Patent 5,423,192 beschreibt eine bevorzugte Einrichtung zum Erfassen von Nulldurchgängen.
Wie in 2 gezeigt ist, sind die Leistungsschalter 132 Teil der Wechselrichter-Brücke 210. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist die Wechselrichter-Brücke 210 eine H-Brücke mit einer positiven Schiene 220 und einer negativen Schiene 222 auf, die von einer Energieversorgung 134 gespeist werden. Die Leistungsschalter 132 umfassen die zwei oberen Schalter 212A und 212B und die zwei unteren Schalter 214A und 214B. Rücklauf-Dioden 216A, 216B und 218A, 218B sind antiparallel zu jedem Schalter der Schalter 212A, 212B bzw. 214A, 214B geschaltet.
Ein bevorzugtes Erregungsschema für den Motor 104 beinhaltet, dass zwei Schaltern während jedes Kommutierungsintervalls der Befehl zum Durchschalten gegeben wird, einem von den oberen Schaltern 212A, 212B und einem von den unteren Schaltern 214A, 214B. Mit anderen Worten, die Leistungsschalter 132 werden in Paaren aktiviert, wobei die Wicklung 310 mit der Ener gieversorgung 134 durch einen der oberen Schalter 212A, 212B und einen diagonal angeordneten unteren Schalter 214A, 214B verbunden wird. Die Regelschaltung 122 wählt, welcher der oberen Schalter 212A, 212B und unteren Schalter 214A, 214B für eine Pulsbreitenmodulierung der Leistung verwendet werden soll, die der Wicklung 310 zu einer gegebenen Zeit zugeführt wird. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel werden nur die unteren Schalter 214A, 214B für eine Pulsbreitenmodulation verwendet.
Es können ein Shunt-Widerstand, ein Stromwandler, ein Hall-Effekt-Stromsensor, ein integrierter Stromsensor oder ein anderer Sensor oder eine bekannte Schaltungsanordnung verwendet werden, um den Wicklungs- oder Motorstrom des Motors 104 akzutasten. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel enthält das System 100 einen einzigen Widerstands-Shunt R_SHUNT in der negativen Schiene 222 der Wechselrichter-Brücke 210. Es fließt nur der Motorstrom durch den Shunt-Widerstand R_SHUNT wenn die Energieversorgung 134 zum Motor 104 und umgekehrt wechselt. Obwohl der Shunt-Widerstand R_SHUNT Motorstrom abfühlt, kann er zirkulierende Ströme in der Wechselrichter-Brücke 210 nicht direkt detektieren, weil der den Shunt-Widerstand R_SHUNT umfassende Stromkreis einen offenen Stromkreis bildet während Intervallen, in denen nur einer der Leistungsschalter 132 leitend ist. Ein einziger widerstandsbehafteter Shunt an dem DC Bus ist das kosteneffektivste Mittel zum Abtasten von Motorströmen an einer Wechselrichter-getriebenen Maschine.
Es wird nun auf die 3A–3D Bezug genommen, in denen vereinfachte Schaltbilder den Strom in dem Wechselrichter 210 und der Motorwicklung 310 zu unterschiedlichen Zeiten zeigen. Als ein Beispiel des normalen Betriebs der Wechselrichter-Brücke 210 treiben die Gate-Treiber 128 die Leistungsschalter 132, um die Wicklung 310 mit der Energieversorgung 134 zu verbinden, indem der obere Schalter 212A und der untere Schalter 214B in einen leitenden Zustand gebracht werden. Die Regelschaltung 122 steuert ferner einen der aktiven Schalter (z. B. den unteren Schalter 214B), um die Energie einer Pulsbreiteamodulation auszusetzen, die der Wicklung 310 zugeführt wird. Unmittelbar beim Einschalten werden beispielsweise die Schalter 212A und 214B leitend, wobei der Schalter 214B für eine Pulsbreitenmodulation verwendet wird. Ein Dioden-Erholungsstrom kann durch die Diode 216B fließen, bevor genügend Ladung angeführt worden ist, um eine Dioden-Blockierung auszubilden, und sowohl der Wicklungsstrom des Motors als auch der Erholungsstrom der Diode fließen zu dieser Zeit durch den Shunt-Widerstand R_SHUNT. Der Dioden-Erholungsstrom klingt normalerweise ab und der Motorstrom, wie er in 3A gezeigt ist, fließt weiterhin in den Motor 104 (und durch den Shunt-Widerstand R_SHUNT), wenn der Schalter 212A und der Schalter 214B leitend sind. Während dieses Intervalls ist die resultierende oder Nettospannung, die den Motorstrom treibt, die Versorgungsspannung minus die Gegen-EMK (d. h. V_NET = V_S – E). Da ferner die Gegen-EMK und der Motorstrom die gleiche Polarität haben, ist der Energiefluss von der Energieversorgung 134 zum Motor 104.
3B zeigt einen Pfad für zirkulierenden Strom, der existiert, wenn der Schalter 214B in einem nichtleitenden Zustand ist. Wie oben beschrieben ist, sperrt die PBM Steuerung des Systems 100 einen der Leistungsschalter 132 zu einer Zeit (den unteren Schalter 214B in 3B), was dazu führt, dass ein Freilaufstrom durch den leitenden Leistungsschalter (den oberen Schalter 212A) und eine der Rücklauf-Dioden (Diode 216B) zirkuliert. Wie in 3B gezeigt ist, enthält eine Zirkulierungsschleife den Motor 104, einen Schalter (d. h. den Schalter 212A) und eine Diode (d. h. die Diode 216A) des Wechselrichters 210. Diese Ströme fließen jedoch nicht in der Schiene 222, und somit ist der Shunt-Widerstand R_SHUNT (oder ein anderer Shunt-Stromsensor) nicht in der Lage, diese zirkulierenden Ströme zu beobachten. Im normalen Betrieb klingen die zirkulierenden Ströme rasch ab, weil die Gegen-EMK des Motors, die als Spannung E dargestellt ist, ihrem Fluss entgegengerichtet ist. Im abnormalen Betrieb bewirkt die Gegen-EMK, dass die zirkulierenden Ströme ansteigen anstatt dass sie abklingen. Eine momentane Umkehr der Rotation beim Hochfahren oder eine Positionsverschiebung aufgrund eines Fehlers, die Position des Rotors 110 richtig abzufühlen, sind Beispiele eines abnormalen Betriebs, bei dem zirkulierende Ströme vergrößert werden.
Im allgemeinen bewirken bei einer H-Brücke des Wechselrichter, die einen Einphasenmotor, wie er in 2 dargestellt ist, treibt, die Gegen-EMK des Motors und die Schleifenimpedanz zirkulierende Ströme, wenn die Motorphase kommutiert wird, wenn der Motorstrom durch Pulsbreitenmodulieren von einer Leistungsvorrichtung zu einer Zeit geregelt wird und wenn ein Verlust an Synchronisation zwischen der Regelung des Motors 104 und der Rotation des Rotars 110 auftritt. Diese zirkulierenden Ströme können auftreten, wenn der Motor 104 anfangs gestattet wird, weil die Rotorposition vor oder hinter der beabsichtigten Feldrotation ist und, beispielsweise, das voreilende Feld eine Rotationsumkehr des Rotors 110 bewirkt, wenn er in einer Richtung gestartet ist, die entgegengesetzt zu der Feldrotation ist. Die Gegen-EMK ist gewöhnlich während des Startens niedrig genug, damit keine sehr großen Stellungsverschiebungsströme erzeugt werden. In Systemen mit beispielsweise Hall-Positionssensaren tritt eine Positionsverschiebung aufgrund von Fehlern in der Regelung, schnellen Laständerungen, wo die Regelung die Rotorposition nicht einholen kann, Rauschen, Fehlern bei der Positionsabtastung usw. auf. In Kleinleistungs-Motorantrieben werden diese Ströme dadurch gehandhabt, dass höhere Nennströme der Leistungsschaltvorrichtungen und Permanentmagnete verwendet werden. Bei Motorantrieben mit höherer Leistung sind jedoch Motormagnete und Leistungsschalter mit höherer Nennleistung nicht wirtschaftlich ausführbar.
3C stellt einen Strom dar, der unmittelbar nach einem Kommutierungsereignis von der Wicklung 310 zur Energieversorgung 134 zurückfließt. Während dieses Intervalls klingt der Motorstrom über die Dioden 218A, 216B ab. Obwohl die Schalter 214A, 212B einen Einschaltbefehl erhalten haben, muss der Motorstrom auf Null abklingen, bevor die Schalter beginnen, Strom in der entgegengesetzten Richtung zu leiten.
3D stellt einen Augenblick dar, in dem die Kommutierung ohne Synchronisation mit der Gegen-EMK aufgetreten ist. Während dieses Intervalls ist die resultierende oder Nettospannung, die den Motorstrom treibt, die Versorgungsspannung plus die Gegen-EMK (d. h. V_NET = V_S + E). Da die Gegen-EMK und der Mo torstrom entgegengesetzte Polaritäten haben, bewirkt die höhere Nettospannung, die die Motorwicklung 310 treibt, dass sich der Motorstrom schneller aufbaut als während des Intervalls, das in 3A gezeigt ist.
Wie oben beschrieben ist, besteht eine Technik zum Erfassen und Steuern von zirkulierenden Strömen, die einen einzigen Shunt in dem negativen DC Bus verwendet, darin, die freigegebenen Leistungsschaltvorrichtungen (die oberen und unter m) gleichzeitig einer Pulsbreitenmodulation auszusetzen. Nur dann ist der Strom an dem Shunt detektierbar, wo er mit einem Referenzwert verglichen werden kann. Leider hat jedoch diese Technik zusätzliche Schaltverluste in den Leistungsvorrichtungen zur Folge. Eine andere Technik besteht darin, alle Leistungsschaltvorrichtungen gleichzeitig zu öffnen, während der Motor in Betrieb ist. Diese Technik verkleinert jedoch in unerwünschter Weise die Drehmomenterzeugung.
Im Gegensatz zu üblichen Systemen überwacht das System 100 zirkulierende Ströme, wenn sie auftreten, auf einer Periode-für-Periode-Basis bei normaler PBM Schaltfrequenz und regelt den Motorstrom durch Pulsbreitenmodulation von nur einem der freigegebenen Leistungsschalter 132 auf einer Periode-für-Periode-Basis. Das System 100, das gemäß der Erfindung arbeitet, zwingt im wesentlichen die zirkulierenden Ströme, durch den Shhunt R_SHUNT der Energieversorgungsverbindung für eine kurze Dauer zu regelmäßigen Zeitintervallen zu fließen. Wie oben beschrieben ist, vergleicht die Stromkomparatorschaltung 140 zusätzlich zur Ausführung von Stromregelvergleichen den Strom mit dem maximal zulässigen Strom, der von dem Stromregelwert unterschiedlich ist. Wenn der Strom diesen maximalen Grenzwert überschreitet, veranlasst die Regelschaltung 122 den Motor 104, sofort auszuschalten, indem alle Leistungsschalter 132 geöffnet werden. Somit gestattet die vorliegende Erfindung die Verwendung von Wechselrichter- und Motorelementen, die ein kleineres Stromführungsvermögen haben als das erforderliche Vermögen, um unkontrollierten zirkulierenden Motorströmen zu widerstehen, sie verhindert die Entwicklung von großen zirkulierenden Strömen, die die Rotormagnete entmagnetisieren können, und sie sorgt für einen Schutz des Motors 104 und der Regelschaltung 122 vor zirkulierenden Strömen, die die Motorwicklung 310 und die Elemente der Wechselrichter-Brücke 210 einschließen, ohne die Leistungsfähigkeit des Motors zu verschlechtern.
Bei normalen Betriebsbedingungen bildet die Versorgungsspannung (in den 3A–3D als Spannung V_S gezeigt) minus die generierte Gegen-EMK (in den 3A–3D als Spannung E gezeigt) die treibende Spannungsquelle zum Aufbau von Strom in der Motorwicklung 310. Wenn zwei Schalter (z. B. Schalter 212A und 214B) den Befehl zum Durchschalten erhalten, kaut sich ein Strom bis zum Regelwert auf. Beim Erreichen des Regelwertes sperrt die Regelschaltung 122 einen der Schalter (z. B. 214B) für ein kurzes Zeitintervall. Während dieses Zeitintervalls klingt der Motorstrom in einer zirkulierenden Schleife ab, bis die "Auszeit" abläuft und eine weitere PBM Periode eingeleitet wird. Die Polarität der Gegen-EMK des Motors verhindert den Anstieg von zirkulierendem Strom. Die Regelschaltung 122 enthält vorzugsweise eine Aus-Zeitsteuerschaltung (nicht gezeigt) und regelt den Strom im Motor 104 als eine Funktion des geregelten Spitzenstromwertes IREF, um die Energiezufuhr zur Wicklung 310 für eine vorbestimmte Zeitdauer auf der Basis von, beispielsweise, einem Abschnitt von einem Kommutierungsintervall zu sperren. Mit anderen Worten, die Regelschaltung 122 regelt den Strom in der Motorwicklung 310 durch Pulsbreitenmodulation. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel verwendet das System 100 ein konstantes "Auszeit"-Schema zum Regeln des Stroms. In einem anderen Ausführungsbeispiel kann ein System mit konstanter Frequenz verwendet werden (siehe 4).
Bei abnormalen Betriebsbedingungen, die beispielsweitse aus einem Verlust an Synchronisation mit der tatsächlichen Position des Rotors 110 resultieren, werden die Schalter 132 nicht länger mit Bezug auf die Rotorposition angesteuert. Da wenigstens einer der Wechselrichter-Schalter (z. B. Schalter 212A oder Schalter 212B) kontinuierlich angesteuert sind, bewirkt die Stimulation durch die Gegen-EMK zirkulierenden Strom. Die Versorgungsspannung treibt dann Motorstrom, wenn zwei der Schalter 132 freigegeben sind. Unterstützt durch die Gegen-EMK baut sich Motorstrom schnell auf und überschreitet den Regelwert, bei dem einer der Schalter (z. B. 214A oder 214B) gesperrt wird. Während dieses Zeitintervalls steigt der Motorstrom an, wobei er durch die Gegen-EMK alleine getrieben wird. Bei Ablauf der Auszeit leiten beide Schalter und der tatsächliche Motorstrom wird durch den Shunt-Widerstand R_SHUNT abgeleitet, um die PBM Periode zu vollenden, während seine Größe bzw. Amplitude weiterhin ansteigt. Bei jeder PBM Periode leiten die Leistungsschalter 132 den Motorstrom durch den Shunt-Widerstand R_SHUNT für eine kurze Dauer, während seine Größe bzw. Amplitude ansteigt, während des Zeitintervalls, in dem einer der Schalter (z. B. Schalter 214A oder 214B) in dem PBM Aus-Zustand ist. Ein minimales Zeitintervall (beispielsweise fünf Mikrosekunden) wird benötigt, um den Motorstrom von der zirkulierenden Schleife durch den Shunt-Widerstand R_SHUNT zurück zur Versorgung 134 zu übertragen. Wenn zwei der Schalter 132 leitend sind, fließt Strom durch den Shunt-Widerstand R_SHUNT unabhängig von dem Wert des zirkulierenden Stroms oder dem Sollwert des Stroms. Mit anderen Worten, das System 100 sampled oder tastet den Motorstrom jede PBM Periode ab und vergleicht den Strom, der an dem Widerstand R_SHUNT abgetastet ist, mit dem maximalen Stromwert, der gewöhnlich höher als der geregelte Spitzenstromwert ist. Wie oben. beschrieben ist, ist der geregelte Spitzenstrom der von der Regelschaltung 122 befohlene Strom, bei dem der Motor 104 arbeiten soll. Die Amplitude dieses Stroms, die die Drehmomenterzeugung des Motors steuert, ist gewöhnlich variabel von einem Wert nahe Null bis zu einem maximalen Wert in einem Anwendungsmodus mit voll variablem Drehmoment.
Gemäß 4 werden unabhängige Stromdetektoren verwendet, um sowohl die normalen Betriebsströme als auch die zirkulierenden Ströme abzufühlen. 4 stellt ein bevorzugtes Schaltungsschema der Stromkomparatorschaltung 140 gemäß der Erfindung dar. Die Stromkomparatorschaltung 140 enthält einen Komparator U1A für eine normale Stromregelung und sie enthält einen Komparator U1B zum Erfassen von zirkulierenden Strömen. Der Komparator U1A vergleicht den abgetasteten Strom in der Energieversorgungsverbindung (d. h. den Strom in R_SHUNT) mit dem geregelten Spitzenstromwert, der durch IREF dargestellt ist.
Der Komparator U1A generiert dann ein Stromregelsignal CURREG als eine Funktion des Vergleiches. Die Regelschaltung 122 empfängt ihrerseits das Signal CURREG und generiert das Kommutierungssignal als eine Funktion von CURREG, um eine Stromregelung im System 100 zu bewirken. Unabhängig von der Stromregelfurktion vergleicht der Komparator U1B den Strom in R_SHUNT mit einem Referenzwert ITRIP der auf einen höheren Wert als der maximale Betriebsstromwert (z. B. 20–50% größer als der geregelte Spitzenstromwert) gesetzt ist. Wenn der Strom im Shunt-Widerstand R_SHUNT den ITRIP Referenzwert überschreitet, wird ein Überstromsignal OCTRIP aktiv und bewirkt, dass die Regelschaltung 122 alle Leistungsschalter 132 sperrt, bis wieder ein Befehl zum Durchschalten gegeben ist. In diesem Ausführungsbeispiel leitet ein tiefes OCTRIP-Signal aus der Stromkomparatorschaltung 140 den Alle-Aus (ALLOFF)-Zustand ein, wodurch jeder der Leistungsschalter 132 nichtleitend gemacht bzw. gesperrt wird.
Genauer gesagt, die Regelschaltung 122 legt ein gewünschtes Stromreferenzsignal IREF an die Stromkomparatorschaltung 140 über eine Leitung 402 an. Vorzugsweise stellt das gewünschte Stromsignal den geregelten Spitzenstromwert dar. In diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung generiert der Mikrocontroller 142 der Regelschaltung 122 IREF als ein PBM Signal mit einem Tastverhältnis, das von 0–100% variiert. Mit anderen Worten, die Regelschaltung 122 legt die Versorgungsspannung V_c über die Leitung 402 bei einem Tastverhältnis d an, wobei die Stromreferenz proportional zu dem Tastverhältnis d ist. Widerständcs R₁ und R₂ und ein Kondensator C_l filtern dann das PBM Signal, um die Wechselspannungskomponente am Knoten 404 zu verkleinern. In einem anderen Ausführungsbeispiel kann die Widerstands-Kondensatorschaltung, die von R₁, R₂ und C_l gebildet ist, durch einen Widerstand ersetzt werden, der mit einer variablen Spannungsreferenz VREF verbunden ist, die den gewünschten Strom darstellt. Alternativ könnte irgendein D/A Wandler, wie beispielsweise eine R2R Widerstandsschaltung, verwendet werden. Der Komparator U1A führt einen Vergleich aus, um zu ermitteln, ob der abgetastete Strom in der Energieversorgungsverbindung den geregelten Spitzenstromwert, wie er durch die IREF dargestellt: ist, überschreitet. In diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung legt die Regelschaltung 122 das variable Spannungssignal am Knoten 404 an den nicht-invertierenden Eingang des Komparators U1A an für einen Vergleich mit seinem invertierenden Eingang am Knoten 406. Die Spannung am Knoten 406 ist vorzugsweise auf 0 Volt oder etwas höher durch Widerstände R₈ und R₆ gesetzt. Ein Strom durch den Shunt-Widerstand R_SHUNT in der angegebenen Richtung entwickelt eine Spannung V_SHUNT am Knoten 408. Diese negative Spannung V_SHUNT am Knoten 408 zieht Strom. aus dem Knoten 404, um die Spannung am Knoten 404 runter zu ziehen. Wenn die Spannung am Knoten 404 kleiner als die Spannung am Knoten 406 ist, ändert die Ausgangsgröße des Komparators U1A ihren Zustand von hoch nach tief um anzuzeigen, dass der abgetastete Strom den geregelten Spitzenstromwert erreicht hat.
Das System 100 enthält ein Flipflop FFA, das durch die positiv werdenden Übergänge von einem Signal f_PBM, das über eine Leitung 410 eingegeben wird, getaktet wird. Das Flipflop FFA hat einen Rücksetz-Eingang R, der über die Leitung 412 mit dem Komparator U1A verbunden ist, und einen Ausgang Q, der über die Leitung 414 mit der Wechselrichter-Brücke 210 verbunden ist. Der Ausgang Q bleibt hoch, solange der Rücksetz-Eingang R hoch bleibt. Wenn der Ausgang des Komparators U1A an der Leitung 412 (d. h. CURREG) seinen Zustand auf einen logischen Wert tief wechselt, womit angezeigt wird, dass der abgetastete Strom den geregelten Spitzenstromwert erreicht hat, setzt das Flipflcp FFA zurück und der Ausgang Q wechselt von hoch nach tief. Der Ausgang Q bleibt tief, bis der nächste f_PBM Übergang Auftritt. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist f_PBM eine Pulskette bei der Frequenz der Pulsbreitenmodulation.
Unabhängig von dem Komparator U1A führt der Komparator U1B einen Vergleich aus um zu ermitteln, ob der abgetastete Strom in der Energieversorgungsverbindung den maximalen Stromwert überschreitet. Vorzugsweise setzen zwei Widerstände R_U und R_L den maximalen Stromwert (d.h, den Auslösewert ITRIP). In diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird eine Spannung, die den Auslösewert darstellt, am Knoten 416 an den nichtinvertierenden Eingang des Komparators U1B für einen Vergleich mit seinem invertierenden Eingang am Knoten 418 angelegt. Die Spannung am Knoten 418 stellt vorzugsweise eine Offset-Referenz dar. Wenn die Spannung am Knoten 416 kleiner ist als die Spannung am Knoten 418, ändert der Ausgang des Komparators U1B seinen Zustand von hoch nach tief um anzuzeigen, dass der abgetastete Strom den maximalen Stromwert überschritten hat.
Das System 100 enthält auch ein Flipflop FFB, das durch ein Freigabe-Signal ENABLE über die Leitung 420 von der Statusmaschine des Mikrocontrollers 142 getaktet wird. Der Rücksetz-Eingang R von dem Flipflop FFB ist über eine Leitung 422 mit dem Komparator U1B verbunden, und der Ausgang Q von dem Flipflop FFB ist über eine Leitung 424 mit der Wechselrichter-Brücke 410 verbunden. Der Ausgang Q bleibt solange hoch, wie der Rücksetz-Eingang R hoch bleibt. Wenn der Ausgang an der Leitung 422 (d. h. OCTRIP) seinen Zustand zu einem logischen Wert tief wechselt, womit angezeigt wird, dass der abgetastete Strom den maximalen Stromwert überschritten hat, setzt das Flipflop FFB zurück und der Ausgang Q wechselt von hoch nach tief. Der Ausgang Q bleibt tief, bis das nächste ENABLE Signal auftritt. Wenn der Ausgang Q des Flipflops FFB nach tief geht, entfernt er im wesentlichen Signale, die anderenfalls den Leistungsschaltern 132 einen Befehl geben würden. Der ALLOFF-ZUSTAND bleibt gesetzt, bis das ENABLE Signal seinen Knickpunlt erreicht und sein positiv werdender Übergang das Flipflop FFB wieder scharf macht. In einem Ausführungsbeispiel generiert der Mikrocontroller 142 ein weiteres ENABLE-Signal, um den Betrieb des Motors 104 wieder zu starten, nachdem der Strom unter den geregelten Spitzenstromwert abklingt. Wenn jedoch nach dem Wiederstarten des Motors 104 der Überstromzustand fortbesteht, schaltet der Motor 104 ab, bis er manuell rückgesetzt wird. In einem anderen Ausführungsbeispiel kann das ENABLE Signal durch eine Anzahl von Schaltungsanordnungen generiert oder manuell generiert werden.
Bezüglich der Steuerung der Leistungsschalter 132 weisen die Gate-Treiber 128 zwei obere Gate-Treiber 426A, 426B zum entsprechenden Treiben der oberen Schalter 212A, 212B und zwei untere Gate-Treiber 428A, 428B zum entsprechenden Treiben der unteren Schalter 214A, 214B auf. In einem bevorzugten Ausfüh rungsbeispiel der Erfindung steuert der Ausgang Q des Flipflops FFA, der an der Leitung 414 mit PWM bezeichnet ist, die Pulsbreitenmodulation der der Wicklung 310 zugeführten Energie. Wie oben beschrieben ist, gibt das Flipflop FFA ein Signal ab, das eine Funktion des Stromregelsignals CURREG ist und mit der PBM Frequenz f_PWM getaktet ist. Als solches ist das Ausgangssignal PBM bzw. PWM ein pulsbreitenmoduliertes Signal, das bewirkt, dass die unteren Gate-Treiber 428A, 428B selektiv die unteren Schalter 214A, 214B ein- und ausschalten. Der Mikrocontroller 142 gibt Statusmaschinenbefehle über Leitungen 126 ein zur Freigabe von entweder dem oberen Schalter 212A und dem unteren Schalter 214B oder dem oberen Schalter 212B und dem unteren Schalter 214A. Das PWM Signal wird mit den Statusmaschinenbefehlen über zwei AND Gatter 430, 432 gesteuert zum Aktivieren von einem der unteren Gate-Treiber 428A, 428B. In diesem Zusammenhang bezieht sich der Begriff "Statusmaschinenbefehle" auf die Kommutierungssignale, die den Befehl geben, welcher den Leistungsschalter 132 für jedes Kommutierungsintervall des Motors 104 freigegeben werden soll. Als ein Beispiel des normalen Betriebs generiert der Mikrocontroller 142 Befehle zum Aktivieren des oberen Gate-Treibers 426A, um den oberen Schalter 212A einzuschalten, und zum Aktivieren des unteren Gate-Treibere 428B, um den unteren Schalter 214B einzuschalten. In diesen. Augenblick wird das PWM Signal mit den Statusmaschinenbefehlen über das AND-Gatter 432 angesteuert, so dass der untere Schalter 214B mit einem Tastverhältnis pulsbreitenmoduliert wird, das dem Sollstrom entspricht. Mit anderen Worten, der Leistungsschalter 214B bewirkt, dass der Wicklung 310 in abwechselnden Ein- und Aus-Intervallen Energie zugeführt wird. Bei dem nächsten Kommutierungsintervall wechselt der Betrieb zu dem oberen Schalter 212B und dem unteren Schalter 214A.
Wie oben beschrieben ist, geht der Ausgang Q des Flipflops FFB, der an der Linie 424 mit ALLE AUS (ALLOFF) bezeichnet ist, nach tief als Antwort auf das Überstromsignal OCTRIP an der Leitung 422. Ein anderes Paar von AND-Gattern 434, 436 steuert die Statusmaschinenbefehle mit den ALLOFF-Signal, um die Befehlssignale von den Gate-Treibern 128 im wesentlichen zu entfernen. Als eine Folge werden alle Leistungsschalter 132 als Antwort auf das ALLOFF-Signale gesperrt.
Wenn keiner der Leistungsschalter 212A, 212B und 214A, 214B leitend ist, werden die Ströme in der Wicklung 310 durch den Shunt-Widerstand R_SHUNT, zwei Freilaufdioden (Dioden 218B und 216A) und einen großen Kondensator C (siehe 2) gezwungen, der über die Schienen 220 und 222 geschaltet ist. Strom fließt durch den Shunt-Widerstand R_SHUNT in der umgekehrten Richtung, bis die gesamte in der Wicklung 310 gespeicherte Energie abgezogen ist und der Motorstrom gezwungen ist, auf Null abzuklingen. Da der Strom durch den Shunt-Widerstand R_SHUNT nun eine entgegengesetzte Polarität hat, ist die Spannung über dem Shunt-Widerstand R_SHUNT positiv und der Motorstrom wird gezwungen, auf Null abzuklingen. Somit werden abnormale zirkulierende Ströme auf einen akzeptablen Wert gesenkt.
Es ist verständlich, dass Kondensatoren in der Schaltungsanordnung gemäß 4 verwendet werden können, um mit Schaltereignissen verbundenes Rauschen zu verringern.
In den 5A–5E zeigen beispielhafte Zeitsteuerdiagramme die Relation zwischen verschiedenen Signalen des Systems 100. 5A zeigt eine idealisierte Kurve der Gegen-EMK für die Wicklung 310 des Motors 104 und gibt Nulldurchgänge an dem Bezugszeichen ZC an. Wie oben beschrieben ist, generiert die Regelschaltung 122 Motorsteuersignale als eine Funktion der Position des Motors 110, die als eine Funktion der Nulldurchgänge der Gegen-EMK ermittelt werden können. Weiterhin ist die Polarität der Gegen-EMK so, dass sie bewirkt, dass zirkulierende Ströme in dem Motor 104 während des normalen Betriebs des Motors 104 abklingen. 5B stellt Kommutierungssignale dar, die durch die Regelschaltung 122 generiert werden, um eine Kommutierung im Motor 104 zu bewirken. Das obere Signal in 5B wird verwendet, um den Schalter 212A und den Schalter 214B freizugeben, und das untere Signal in 5B wird verwendet, um den Schalter 212B und den Schalter 214A freizugeben. 5C stellt den Motorstrom I_M dar, der die Wicklung 310 während des Betriebs des Motors 104 speist. Gemäß der vorliegenden Er findung regelt die Regelschaltung 122 den Strom in der Wicklung 310 als eine Funktion des geregelten Spitzenstromwertes, indem die der Wicklung 310 zugeführte Energie ein- und ausgeschaltet wird. Wie in 5C gezeigt ist, bewirkt dies, dass der Strom I_M von seinem Spitzenwert abklingt. Der befohlene oder Sollstrom ist in 5C als I^* _REF bezeichnet. Wie oben beschrieben ist, ist der Sollstrom im Motor 104 eine Funktion des geregelten Spitzenstromwertes, wie er durch das Signal IREF dargestellt ist. 5D stellt die Signale f_PWM und PWM dar, wie sie in Verbindung mit 4 beschrieben sind, und 5E stellt die leitenden und nicht-leitenden Zustände der Leistungsschalter 132 dar, wie sie auf die anderen Signale bezogen sind.
Die Steuerdiagramme in den 5A–5E identifizieren vier unterschiedliche Zustände im Betrieb der Einphasenwicklung 310, die von dem H-Brücken-Wechselrichter 210 getrieben wird. Ein erster Zustand, der mit der Bezugszahl 502 bezeichnet ist, tritt auf, wenn der Motor 104 direkt mit der Quellenspannung aus der Energieversorgung 134 (in 3A gezeigt) verbunden ist. Ein zweiter Zustand, der mit der Bezugszahl 504 bezeichnet ist, tritt auf, wenn der Motorstrom I_M abklingt, während er in einer Schleife zirkuliert, die durch einen Schalter (d. h. Schalter 212A) und eine Diode (d. h. Diode 216B) (gezeigt in 3B) gesetzt ist. Ein dritter Zustand, der mit der Bezugszahl 506 bezeichnet ist, tritt auf, wenn der Motorstrom I_M über Freilaufdioden (d. h. Diode 216B und Diode 218A) (gezeigt in 3C) abklingt. In diesem Augenblick ist die tatsächliche Spannung über der Motorwicklung 310 die Versorgungsspannung plus die Gegen-EMK. Ein vierter Zustand tritt in den Kommutierungsaugenblicken auf, die mit der Bezugszahl 508 bezeichne sind, wenn alle Leistungsschalter 132 ausgeschaltet sind. Es ist verständlich, dass unmittelbar nach der Kommutierung dis freigegebenen Leistungsschalter (z. B. Schalter 212B, 214A) tatsächlich "Ein" sind, aber das Abklingen des induktiven Stroms durch die entsprechenden Freilauf-Dioden (z. B. Dioden 216B, 218A) hält die Schalter in dem "Aus"-Zustand, bis der Strom Null erreicht. Infolgedessen werden die freigegebenen Leistungsschalter aktiv, wenn der Strom seine Polarität umkehrt.
In einem Ausführungsbeispiel können die Schalter 132 ihren Befehl "Aus" für ein kurzes Intervall nach jeder Kommutierung erhalten und "ein"geschaltet werden, nachdem der Motorstrom abgeklungen ist und die Gegen-EMK durch Null gelaufen ist.
6A–6D sind Beispiele von Steuerdiagrammen, die die Beziehung zwischen den Strömen im Motor 104 und der Stromregelung für normalen und abnormalen Betrieb des Motors 104 gemäß der Kommutierungsstrategie nach den 5A–5E darstellen. 6A stellt die Schaltzustände der PWM Schalter 214B und 214A dar. Wie oben beschrieben ist, stellt das digitale Signal CURREG die Ausgangsgröße von dem Komparator U1A, d. h. von dem Stromregelkomparator, dar. Der untere Wert von CURREG gibt an, dass der Motorstrom I_M, wie er durch den Strom I_SHUNT in dem Shunt-Widerstand R_SHUNT dargestellt ist, den geregelten Spitzenstromwert, wie er durch IREF befohlen ist, überschritten hat. Am Ende des Pulsbreitenmodulationszyklus wird ein neuer PWM Zyklus eingeleitet. Es ist verständlich, dass das Modulationsschema eine konstante Frequenz, eine konstante "Auszeit", eine zufällige Frequenz oder eine pseudo-zufällige Frequenz haben kann. Beispielsweise verwendet ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung, das eine Waschmaschine 102 antreibt, ein Modulationsschema mit konstanter "Auszeit" zum Regeln des Stroms.
6B zeigt den Motorstrom I_M, der bei dem regelten Spitzenstromwert geregelt wird, der durch IREF befohlen wird. Wiederum ist der befohlene Strom bzw. Sollstrom in 6B als I^* _REF bezeichnet. Wie oben beschrieben ist, ist der Sollstrom im Motor 104 eine Funktion von dem geregelten Spitzenstromwert, wie er durch das Signal IREF dargestellt ist.
6C zeigt die idealisierte Kurve der Gegen-EMK für die Wicklung 310 des Motors 104. Die Polarität von der Gegen-EMK ist so, dass sie bewirkt, dass zirkulierende Ströme im Motor 104 während des normalen Betriebs des Motors 104 abklingen. Wie in 6C an der Bezugszahl 602 angegeben ist, ist die Gegen-EMK positiv während des normalen Betriebs, wenn der Schalter 212A leitend ist und der Schalter 214B pulsbreitenmo duliert wird. Umgekehrt ist, wie an der Bezugszahl 604 angegeben ist, die Gegen-EMK negativ, wenn der Schalter 212B leitend ist und der Schalter 214A pulsbreitenmoduliert wird.
6D zeigt Abschnitte des Stroms, die an dem Shunt-Widerstand R_SHUNT beobachtet werden. Die positiven Pulse (z. B. an den Bezugszeichen 606, 608 angegeben) von I_SHUNT stellen den Strom von der Versorgungsspannung dar, die an die Motorwicklung 310 angelegt wird. Nach einer Kommutierung 508 kehrt der in der Wicklung 310 gespeicherte induktive Strom zur Versorgung 134 zurück. Wie oben beschrieben ist, bestehen zirkulierende Ströme, wenn die eine Leistungsschaltvorrichtung (z. B. Schalter 212A oder 212B) leitend ist und seine entsprechende pulsbreitenmodulierte Leistungsschaltvorrichtung (z. B. Schalter 214B oder Schalter 214A) nicht-leitend ist. Während des normalen Betriebs des Motors 104 ist die Polarität der Gegen-EMK so, dass die zirkulierenden Ströme von dem maximalen Wert abklingen müssen, der durch die Stromreferenz IREF gesetzt ist. Somit ist eine Überwachung zu dieser Zeit nicht erforderlich. 6C stellt auch gestrichelt an den Bezugszeichen 610, 612 die abklingenden zirkulierenden Ströme während zwei beispielhaften PWM Aus-Intervallen dar. Der negative Strom in 6D, der beispielsweise an der Bezugszahl 614 gezeigt ist, zeigt, dass der Motorstrom I_M nach Null abklingt und der induktive Motorstrom in der entgegengesetzten Richtung ist, wenn alle vier Schalter der Leistungsschalter 132 zu den Kommutierungsaugenblicken 508 ausgeschaltet bzw. gesperrt sind. 6D zeigt auch ein minimales Intervall 616 als Beispiel, dass die Schalter 132 am Beginn von jedem PWM Zyklus den Befehl zum Einschalten haben. Dieses Zeitintervall ist lang genug, damit zirkulierende Ströme auf den Shunt-Widerstand R_SHUNT übergehen können Dieses Zeitintervall ist jedoch kurz genug, damit es die Stromregelung im Motor 104 nicht signifikant beeinträchtigt. Beispielsweise beträgt diese minimale Einschaltzeit etwa fünf Mikrosekunden. Somit wird die Stromregelung nicht beeinträchtigt, wenn das Tastverhältnis nicht sehr nahe bei 0% ist. Das minimale Einschaltintervall wird als eine Funktion von dem Leistungsvermögen der Leistungsschalter 132 und der Stromregelstrategie für die jeweilige Anwendung gewählt, in der das System 100 verwendet werden soll.
6A–6D stellen auch die Beziehung zwischen den Strömen im Motor 104 und der Stromregelung für abnormalen Betrieb des Motors 104 gemäß der Kommutierungsstrategie nach den 5A–5E dar. Wie oben beschrieben ist, hat ein Verlust der Position oder ein Verlust an Synchronismus zwischen der Rotorpositions-Rückführung und der Gegen-EMK des Motors unerwünschte zirkulierende Ströme in dem Motor 104 zur Folge. In diesem Fall ist die Polarität der Gegen-EMK so, dass die resultierende oder Nettospannung, die an den Motor 104 angelegt ist, die Versorgungsspannung plus die Gegen-EMK ist (in den 3A–3D ist die angegebene Polarität umgekehrt, wenn die Schalter 212A und 214B freigegeben sind). Aufgrund der Polarität der Gegen-EMK baut sich der Strom I_M schneller auf als im normalen Betrieb. Beispielsweise tritt die Stellungsverschiebungs-Kommutierung zu der Zeit auf, die durch die Bezugszahl 618 bezeichnet ist. Wenn I_M den Spitzenregelwert I^* _REF an der Bezugszahl 620 erreicht, sperrt das Stromregelsignal CURREG von dem Komparator U1A den PWM Schalter (z. B. Schalter 214A). Wenn der PWM Schalter ausgeschaltet ist, ist ein Pfad für einen zirkulierenden Strom ausgebildet. Die treibende Kraft für diesen zirkulierenden Strom ist die Gegen-EMK. Im Gegensatz zu dem normalen Betrieb unterstützt die Gegen-EMK in diesem Fall nun die Stromerhöhung. Da die freigegebenen Schalter (z. B. Schalter 212B, 214A) für das minimale Intervall 616 beide leitend sind, wird der Strom im Motor 104 während des Intervalls zum Shunt-Widerstand R_SHUNT umgeleitet.
Nachdem der Strom I_SHUNT den maximalen Sollstromwert I^* _MAX erreicht, der eine Funktion von dem maximalen Stromwert ist, der durch das Signal ITRIP dargestellt ist, geht das digitale Signal OCTRIP, das die Ausgangsgröße des Komparators U1B, d. h. von dem Überstromkomparator, darstellt, nach tief. Der tiefe Wert von OCTRIP zeigt an, dass der Motorstrom I_M, wie er durch den Strom I_SHUNT im Shunt-Widerstand R_SHUNT dargestellt ist, den maximalen Stromwert überschritten hat. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung erkennt die Regelschaltung 122 einen tiefen Wert des OCTRIP Signals als eine Anzeige, dass der Motorstrom über dem maximalen Stromwert ist, der durch den jeweiligen Motor 104 und Wechselrichter 21O zugelassen ist, Als Antwort bewirkt die Regelschaltung 122, dass alle Leistungsschalter 132 ausgeschaltet werden oder sie leitet irgendeinen anderen Schutzvorgang ein. Indem alle Leistungsschalter 132 ausgeschaltet werden, wird Strom zur Energieversorgung 134 über die freilaufenden Dioden (z. B. Dioden 218B, 216A) zurückgekeitet. Im Gegensatz zu konventionellen Systemen erreicht das System 100 einen Schutz, indem alle Leistungsschalter 132 anstatt nur gerade einem ausgeschaltet werden, wie es die Antwort für einen normalen PWM Betrieb der Fall sein würde. Auf diese Weise verkleinert und steuert das System 100 abnormale zirkulierende Ströme.
Aus der vorstehenden Beschreibung ist ersichtlich, dass die mehreren Aufgaben der Erfindung erreicht und andere vorteilhafte Ergebnisse erzielt werden.

Claims

Einphasenmotor (104) enthaltend: eine stationäre Einrichtung (108) mit einer Wicklung (108), eine drehbare Einrichtung (110) in magnetischer Kopplungsrelation mit der stationären Einrichtung (108), eine Energieversorgungsverbindung zum Liefern von Energie von einer Energieversorgung (134) an die Wicklung (108), wobei die Energieversorgungsverbindung auf ein Motorsteuersignal ansprechende Leistungsschalter (132) enthält zum selektiven Verbinden der Wicklung (108) mit der Energieversorgung (134) in abwechselnden Ein- und Aus-Intervallen, um ein elektromagnetisches Feld zum Drehen der drehbaren Einrichtung (110) zu erzeugen, eine Stromabtastschaltung zum Abtasten von Strom in der Energieversorgungsverbindung während der Ein-Intervalle der der Wicklung (108) zugeführten Energie, eine Stromregelschaltung (140)zum Erzeugen eines Stromregelsignals, das die Differenz zwischen dem abgetasteten Strom in der Energieversorgungsverbindung und einem geregelten Spitzenstromwert darstellt, wobei der geregelte Spitzenstromwert eine Funktion von einer gewünschten Drehzahl und/oder Drehmoment des Motors (104) ist, eine Überstromschaltung, die ein Überstromsignal generiert als Antwort auf den abgetasteten Strom in der Energieversorgungsverbindung, wenn dieser einen maximalen Stromwert grösser als der geregelte Spitzenstromwert überschreitet, und eine Regelschaltung (122), die auf das Stromregelsignal anspricht zum Generieren des Motorsteuersignals als eine Funktion des Stromregelsignals, um dadurch den Strom in der Wicklung (108) zu regeln und die Drehzahl und/oder das Drehmoment des Motors (104) als Antwort auf das Stromregelsignal und als eine Funktion der gewünschten Drehzahl und/oder Drehmoments zu steuern, wobei wenigstens eines der Ein-Intervalle der Energie, die der Wicklung (108) als Antwort auf das Motorsteuersignal zugeführt wird, grösser als oder gleich einem minimalen Intervall ist, das unabhängig von dem Stromregelsignal ist, und die Regelschaltung (122) auf das Überstromsignal anspricht, damit die Leistungsschalter (132) die Wicklung (1C8) von der Energieversorgung (134) trennen, um zu verhindern, daß ein überhöhter Freilaufstrom durch die Motorwicklung (108) und den Wechselrichter (210) zirkuliert.
Motor (104) nach Anspruch 1, wobei die Stromregelschaltung (140) eine erste Stromkomparatorschaltung aufweist, die den abgetasteten Strom in der Energieversorgungsverbindung mit dem geregelten Spitzenstromwert vergleicht, wobei die erste Komparatorschaltung das Stromregelsignal generiert, wenn der abgetastete Strom den geregelten Spitzenstromwert während der Ein-Intervalle der der Wicklung (108) zugeführten Energie überschreitet.
Motor (104) nach Anspruch 1, wobei die Überstromschaltung eine zweite Stromkomparatorschaltung aufweist, die den abgetasteten Strom mit dem maximalen Stromwert vergleicht, wobei die zweite Komparatorschaltung das Überstromsignal generiert, wenn der abgetastete Strom den maximalen Stromwert während der Ein-Intervalle der der Wicklung (108) zugeführten Energie überschreitet.
Motor (104) nach Anspruch 1, wobei die Leistungsschalter (132) der Energieversorgungsverbindung eine Wechselrichterbrücke mit einer positiven Schiene und einer negativen Schiene aufweist, die von der Energieversorgungsverbindung (134) gespeist sind, und wobei die Stromabtastschaltung einen Shunt-Widerstand in einer der Schienen der Wechselrichterbrükke aufweist.
Motor (104) nach Anspruch 4, wobei die Leistungsschal-ter (132) auf das Überstromsignal ansprechen, um unabhängig von dem Stromregelsignal nichtleitend zu werden, wenn der abgetastete Strom den maximalen Stromwert überschreitet, wodurch der Strom, der in der Wechselrichterbrücke und der Wicklung (108) zirkuliert, wenn nur einer der Leistungsschalter (132) leitend ist, zum Abklingen gezwungen wird.
Motor (104) nach Anspruch 4, wobei die Leistungsschalter (132) auf das Motorregelsignal ansprechen, um die Leistung, die der Wicklung (108) von der Energieversorgung (134) zugeführt wird, bei einem Tastverhältnis einer Pulsbreitenmodulation auszusetzen, das eine Funktion des Stromregelsignals ist, und wobei das minimale Intervall von dem Tastverhältnis unabhängig ist und der Strom, der in der Wechselrichterbrücke und der Wicklung (108) zirkuliert, während der Ein-Intervalle der der Wicklung (108) zugeführten Energie durch den Shunt-Widerstand gezwungen wird.
Motor (104) nach Anspruch 1, wobei die Regelschaltung (122) auf das Überstromsignal anspricht zum Generieren des Motorsteuersignals unabhängig von dem Stromregelsignal, wodurch die Leistungsschalter (132) nichtleitend gemacht werden, um zu verhindern, daß der Wicklung (108) von der Energieversorgung (134) Energie zugeführt wird, wenn der abgetastete Strom in der Energieversorgungsverbindung den maximalen Stromwert überschreitet.
Motor (104) nach Anspruch 1, wobei die Regelschaltung (122) einen Prozessor enthält zum Ermitteln des geregelten Spitzenstromwertes als eine Funktion der gewünschten Drehzahl und/oder Drehmoments des Motors (104).
Motor (104) nach Anspruch 1, wobei ferner eine Welle in Antriebsrelation mit der drehbaren Einrichtung (110) vorge sehen ist zum Antreiben einer drehbaren Komponente von einer Waschmaschine (102).
System (100) zum Antreiben einer drehbaren Komponente von einer Waschmaschine (102), enthaltend: einen Einphasenmotor (104) mit einer stationären Einrichtung (108) und einer drehbaren Einrichtung (110) in magnetischer Kopplungsrelation mit der stationären Einrichtung (1C8), wobei die drehbare Einrichtung (108) eine Wicklung (108) aufweist und die drehbare Einrichtung (110) mit der drehbaren Komponente in Antriebsrelation ist, eine Energieversorgungseinrichtung zum Liefern von Energie von einer Energieversorgung (134) an die Wicklung (108), wobei die Energieversorgungverbindung Leistungsschalter (132) enthält, die auf ein Motorsteuersignal ansprechen zum selektiven Verbinden der Wicklung (108) mit der Energieversorgung (134) in abwechselnden Ein- und Aus-Intervallen, um ein elektromagnetisches Feld zum Drehen der drehbaren Einrichtung (110) zu erzeugen, eine Stromabtastschaltung zum Abtasten von Strom in der Energieversorgungsverbindung während der Ein-Intervalle der der Wicklung (108) zugeführten Energie, eine Stromregelschaltung (140)zum Erzeugen eines Stromregelsignals, das die Differenz zwischen dem abgetasteten Strom in der Energieversorgungsverbindung und einem geregelten Spitzenstromwert darstellt, wobei der geregelte Spitzenstromwert eine Funktion von einer gewünschten Drehzahl und/oder Drehmoment des Motors (104) ist, eine Überstromschaltung, die ein Überstromsignal generiert als Antwort auf den abgetasteten Strom in der Energieversorgungsverbindung, wenn dieser einen maximalen Stromwert grösser als der geregelte Spitzenstromwert überschreitet, und eine Regelschaltung (122), die auf das Stromregelsignal anspricht zum Generieren des Motorsteuersignals als eine Funktion des Stromregelsignals, um dadurch den Strom in der Wick lung (108) zu regeln und die Drehzahl und/oder das Drehmoment des Motors (104) als Antwort auf das Stromregelsignal und als eine Funktion der gewünschten Drehzahl und/oder Drehmoments zu steuern, wobei wenigstens eines der Ein-Intervalle der Energie, die der Wicklung (108) als Antwort auf das Motorregelsignal zugeführt wird, grösser als oder gleich einem minimalen Intervall ist, das unabhängig von dem Stromregelsignal ist, und die Regelschaltung (122) auf das Überstromsignal anspricht, damit die Leistungsschalter (132) die Wicklung (108) von der Energieversorgung (134) trennen, um dadurch zu verhindern, daß ein überhöhter Freilaufstrom in der Motorwicklung (108) und den Leistungsschaltern (132) zirkuliert.
Verfahren zum Betreiben eines Einphasenmotors (104), wobei der Motor (104) eine stationäre Einrichtung (108) mit einer Wicklung (108) und eine drehbare Einrichtung (110) in magnetischer Kopplungsrelation mit der stationären Einrichtung (108) aufweist und der Motor (104) auch eine Energieversorgungsverbindung mit Leistungsschaltern (132) zum Liefern von Energie von einer Energieversorgung.(134) an die Wicklung (108) enthält, wobei das Verfahren die Schritte enthält: selektives Verbinden der Wicklung (108) mit der Energieversorgung (134) in abwechselnden Ein- und Aus-Intervallen mit den Leistungsschaltern (132) als Antwort auf ein Motorregelsignal, um ein elektromagnetisches Feld zum Drehen der drehbaren Einrichtung (110) zu erzeugen, Abtasten von Strom in der Energieversorgungsverbindung während der Ein-Intervalle der der Wicklung (108) zugeführten Energie, Generieren eines Stromregelsignals, das die Differenz zwischen dem abgetasteten Strom in der Energieversorgungsverbindung und einem geregelten Spitzenstromwert darstellt, wobei der geregelte Spitzenstromwert eine Funktion von einer gewünschten Drehzahl und/oder Drehmoment des Motors (104) ist, Generieren eines Überstromsignals als Antwort auf den abgetasteten Strom in der Energieversorgungsverbindung, wenn dieser einen maximalen Stromwert grösser als der geregelte Spitzenstromwert überschreitet, Generieren des Motorsteuersignals als Antwort auf das Stromregelsignal, um dadurch den Strom in der Wicklung (108) zu regeln und die Drehzahl und/oder das Drehmoment des Motors (104) als eine Funktion des Stromregelsignals und als eine Funktion der gewünschten Drehzahl und/oder Drehmoments zu steuern, wobei wenigstens eines der Ein-Intervalle der Energie, die der Wicklung (108.) als Antwort auf das Motorregelsignal zugeführt wird, grösser als oder gleich einem minimalen Intervall ist, das unabhängig von dem Stromregelsignal ist, und Generieren des Motorsteuersignals als Antwort auf das Überstromsignal, damit die Leistungsschalter (132) die Wicklung (108) von der Energieversorgung (134) trennen, um zu verhindern, daß ein überhöhter Freilaufstrom durch die Motorwicklung (108) und den Wechselrichter (210) zirkuliert.
Verfahren zum Schützen eines Einphasenmotors (104) vor überhöhten, in dem Motor (104) zirkulierenden Strömen, wobei der Motor (104) eine stationäre Einrichtung (108) mit einer Wicklung (108) und eine drehbare Einrichtung (110) in magnetischer Kopplungsrelation mit der stationären Einrichtung (108) aufweist, wobei der Motor (104) auch eine Regelschaltung (122) zum Generieren eines Motorsteuersignals und eine Energieversorgungsverbindung zum Liefern von Energie von einer Energieversorgung (134) an die Wicklung (108) aufweist, wobei die Energieversorgungsverbindung auf das Motorsteuersignal ansprechende Leistungsschalter (132) enthält zum selektiven Verbinden der Wicklung (108) mit der Energieversorgung (134) in abwechselnden Ein- und Aus-Intervallen, um ein elektromagnetisches Feld zum Drehen der drehbaren Einrichtung (110) zu erzeugen, wobei das Verfahren die Schritte enthält: Abtasten von Strom in der Energieversorgungsverbindung während der Ein-Intervalle der der Wicklung (108) zugeführten Energie, Vergleichen des abgetasteten Stroms in der Energieversorgungsverbindung mit einem geregelten Spitzenstromwert, wobei der geregelte Spitzenstromwert eine Funktion von einer gewünschten Drehzahl und/oder Drehmoment des Motors (104) ist, Generieren eines Stromregelsignals, das die Differenz zwischen dem abgetasteten Strom und dem geregelten Spitzenstromwert darstellt, wobei die Regelschaltung (122) auf das Stromregelsignal anspricht zum Generieren des Motorsteuersignals als eine Funktion des Stromregelsignals, um dadurch den Strom in der Wicklung (108) zu regeln und die Drehzahl und/oder Drehmoment des Motors (104) als Antwort auf das Stromregelsignal und als eine Funktion der gewünschten Drehzahl und/oder Drehmoment zu steuern, Definieren eines minimalen Intervalls unabhängig von cem Stromregelsignal, während dem die Wicklung (108) mit der Energieversorgung (134) verbunden ist, wobei wenigstens eines der Ein-Intervalle der Energie, die der Wicklung (108) als Antwort auf das Motorsteuersignal zugeführt wird, grösser als oder gleich dem minimalen Intervall ist, Vergleichen des abgetasteten Stroms in der Energieversprgungsverbindung mit einem maximalen Stromwert, der grösser als der geregelte Spitzenstromwert ist, Generieren eines Überstromsignals, wenn der abgetastete Strom den maximalen Stromwert überschreitet, und Veranlassen der Leistungsschalter (132), daß diese die Wicklung (108) von der Energieversorgung (134) trennen, um zu verhindern, daß ein überhöhter Freilaufstrom in der Motorwicklung (108) und dem Wechselrichter (210) zirkuliert.