DE69726485T2

DE69726485T2 - Stromformung in Reluktanzmachinen

Info

Publication number: DE69726485T2
Application number: DE69726485T
Authority: DE
Inventors: Paul Malachy Bramley Mchugh
Original assignee: Switched Reluctance Drives Ltd
Current assignee: Nidec SR Drives Ltd
Priority date: 1996-04-12
Filing date: 1997-04-01
Publication date: 2004-09-16
Anticipated expiration: 2017-04-02
Also published as: US5923141A; KR100449547B1; KR970072581A; EP0801464A1; MX9702683A; DE69726485D1; GB9607688D0; EP0801464B1

Description

Diese Erfindung betrifft die Stromformung in Reluktanzmaschinen. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Stromsteuerschaltung zum Reduzieren von Vibrationen in einer geschalteten Reluktanzmaschine.
Allgemein ist eine Reluktanzmaschine eine elektrische Maschine, in der das Drehmoment durch die Neigung von deren beweglichem Teil erzeugt wird, sich in eine Position zu bewegen, in der die Induktivität einer erregten Wicklung maximiert ist. Die allgemeine Theorie, Konstruktion und Funktion von geschalteten Reluktanzmaschinen ist allgemein bekannt und wird beispielsweise in der Schrift "The Characteristics, Design and Applications of Switched Reluctance Motors and Drives" von Stephenson und Blake beschrieben, präsentiert anlässlich der PCIM '93 Konferenz und Ausstellung in Nürnberg, Deutschland, 21.–24. Juni 1993.
1 zeigt eine typische geschaltete Reluktanzmaschine mit einem Stator 10, der sechs vorstehende Statorpole 11–16 aufweist, die eine Hauptstatorachse definieren (die sich in 1 nach außen erstreckt). Ein Rotor 18 ist mit einer drehbaren Welle koaxial mit der Hauptachse des Stators gekoppelt. In 1 ist der Rotor in der Bohrung angeordnet, die durch den Stator und die nach innen vorstehenden Statorpole 11–16 gebildet ist, und an einer Welle (nicht gezeigt) montiert, die mit Hilfe von Lagern montiert ist und sich frei drehen kann. Der Rotor 18 hat eine Anzahl von sich nach außen erstreckenden Vorsprüngen 19, die die Rotorpole bilden.
Mit jedem Statorpol steht eine gewickelte Drahtspule in Beziehung. In der dargestellten Maschine sind die beiden Spulen von gegenüberliegenden Statorpolen miteinander gekoppelt, um zusammen drei Phasen zu bilden: Phase A (Spulen der Pole 11 und 14); Phase B (Spulen der Pole 12 und 15); und Phase C (Spulen der Pole 13 und 16). In dem in 1 dargestellten Beispiel fließt Strom durch die Spulen der Phase A, wenn diese gespeist wird, so dass der Statorpol 11 beispielsweise ein nach innen gerichteter Elektromagnet mit positiver Polarität und der Statorpol 14 ein nach innen gerichteter Elektromagnet mit negativer Polarität wird. Diese Elektromagneten erzeugen eine Anziehungskraft zwischen den erregten Statorpolen und den Rotorpolen, wodurch ein Drehmoment erzeugt wird. Durch Umschalten der Erregung von einer Phase auf eine andere kann das gewünschte Drehmoment unabhängig von der Winkelposition des Rotors beibehalten werden. Durch Umschalten der Erregung der Phasenwicklungen zum Erzeugen eines positiven Drehmoments kann die Maschine wie ein Motor betrieben werden; durch Erregung der Phasenwicklungen zum Erzeugen eines abbremsenden Drehmoments kann die Maschine als eine Bremse oder Generator betriehen werden.
Aus Gründen der Darstellung ist eine einfache Form einer Maschine mit sechs Statorpolen und zwei Rotorpolen gezeigt (d. h. eine 6/2-Maschine). Der Fachmann erkennt, dass andere Kombinationen allgemein bekannt sind. Die vorliegende Erfindung betrifft gleichermaßen auch solche Maschinen. Darüber hinaus ist die vorliegende Erfindung auf invertierte Maschinen, bei denen der Stator in der Bohrung von einem äußeren routierenden Rotor angeordnet ist, und bei linearen Maschinen anwendbar, bei denen sich das bewegbare Bauteil bezüglich des Stators linear bewegt. In der Technik wird das bewegbare Bauteil eines Linearmotors ebenfalls häufig als ein Rotor bezeichnet.
Wenn eine geschaltete Reluktanzmaschine läuft, dann kann das Drehmoment (und andere Maschinenleistungsparameter) durch Überwachung der Rotorposition, Erregung von einer oder mehr Phasenwicklungen, wenn sich der Rotor in einer ersten Winkelposition befindet, bezeichnet als "Einschaltwinkel", und anschließendes Unterbrechen der Erregung der erregten Wicklungen eingestellt werden, wenn sich der Motor in eine zweite Winkelposition dreht, bezeichnet als "Ausschaltwinkel". Die Winkeldistanz zwischen dem Einschaltwinkel und dem Ausschaltwinkel wird als der "Leitungswinkel" bekannt, der die Grenzen einer aktiven Periode bildet, in der die Phasenwicklung erregt ist.
Bei Stillstand oder bei geringen Drehzahlen kann das Drehmoment einer geschalteten Reluktanzmaschine durch Verändern des Stroms in den erregten Phasen über die Periode gesteuert werden, die durch die Einschalt- und Ausschaltwinkel definiert ist. Eine solche Stromsteuerung kann durch Zerhackung des Stroms unter Verwendung einer Stromreferenz mit Phasenstromrückführung erreicht werden. Eine solche Stromsteuerung wird als "Zerhack-Modus"-Stromsteuerung bezeichnet. Alternativ kann Pulsweitenmodulation (PWM) als Spannungssteuerung verwendet werden. Die Zerhack-Modus-Stromsteuerungs- und PWM-Steuerungsstrategien sind allgemein verstanden, und die Zerhack-Modus-Stromsteuerung wird nachstehend allgemein erläutert.
2A zeigt einen beispielhaften Strom in einer Phasenwicklung, wenn die Zerhack-Modus-Stromsteuerung verwendet wird, wenn die geschaltete Reluktanzmaschine als ein Motor betrieben wird. Wie in 2A dargestellt, wird die Phase anfänglich an einem Punkt erregt, der dem Einschaltwinkel entspricht, und der Strom beginnt anzusteigen, bis er die Stromreferenz erreicht. An diesem Punkt wird der Strom durch eine Steuerung zerhackt, wodurch die Erregung der Phasenwicklung unterbrochen wird. Der Strom fällt ab, bis die Phasenwicklung wieder erregt wird, und der Prozess wiederholt sich. Wie in 2A gezeigt, definiert die Gesamtform der Stromwellenform in dem Zerhack-Modus ein allgemein rechteckiges Gebiet, wobei die Anfangs- und Endpunkte des rechteckigen Gebiets allgemein den Einschalt- und Ausschaltwinkeln entsprechen, die zwischen sich den Leitungswinkel definieren.
Wenn die Winkelgeschwindigkeit des Motors ansteigt, wird ein Punkt erreicht, an dem es keine ausreichende Zeit mehr gibt, dass mehr als ein einzelner Stromimpuls während jeder Phasenperiode stattfinden kann. Folglich sind bei diesen Drehzahlen die Pulsweitenmodulation- oder Zerhack-Strategien ineffektiv. Das Drehmoment des Motors wird dann allgemein durch Steuerung von Position und Dauer des Spannungsimpulses gesteuert, der der Wicklung während der Phasenperiode zugeführt wird. Da der einzige Spannungsimpuls während jeder Phasenperiode zugeführt wird, wird diese von der Steuerung als "Einzelimpulssteuerung" bezeichnet. Diese ist in 2B dargestellt.
3 zeigt allgemein eine Leistungsschaltung, die verwendet werden kann, um die Erregung von einer Phasenwicklung für sowohl die Zerhack-Modus- als auch die Einzelimpuls-Modus-Stromsteuerung zu steuern. Eine Phasenwicklung 30 ist mit einer Gleichstromquelle, die durch einen Gleichstrombus mit positive und negative Schienen 31/32 gebildet ist, durch eine obere Schaltvorrichtung 33 und eine untere Schaltvorrichtung 34 gekoppelt. Rückführdioden 35 und 36 bilden einen Strompfad von dem Gleichstrombus durch die Phasenwicklung 30, wenn die Schaltvorrichtungen 33 und 34 geöffnet sind. Wie für den Fachmann offensichtlich, wird die Phasenwicklung 30 allgemein durch Schließen der Schalter 33 und 34 erregt, wodurch die Phasenwicklung mit dem Gleichstrombus gekoppelt wird.
Die in 3 dargestellte Schaltung kann verwendet werden, um die Zerhack-Modus-Stromsteuerung zu implementieren, und zwar wie folgt: wenn der Motor eine Winkelposition erreicht, die dem Einschaltwinkel entspricht, dann werden die Schalter 33 und 34 geschlossen. Die Phasenwicklung 30 ist dann mit dem Gleichstrombus gekoppelt, wodurch bewirkt wird, dass in dem Motor ein ansteigender Magnetfluss erzeugt wird. Es ist das mit diesem Fluss in Beziehung stehende Magnetfeld, das das auf die Rotorpole wirkt, um das Motordrehmoment zu erzeugen. Wenn der Magnetfluss in der Maschine ansteigt, dann fließt Strom von der Gleichstromversorgung, die durch den Gleichstrombus zur Verfügung gestellt wird, durch die Schalter 33 und 34 sowie durch die Phasenwicklung 30.
Der durch die Phasenwicklung 30 fließende Strom wird durch einen Stromsensor oder eine andere Vorrichtung (nicht gezeigt) erfasst, der ein Signal zur Verfügung stellt, das der Höhe des Phasenstroms entspricht. Das dem Phasenstrom entsprechende Signal wird dann mit einem Signal verglichen, das einen Referenzstrom darstellt. Wenn der tatsächliche Strom in der Phasenwicklung den Referenzstrom überschreitet, dann wird die Phasenwicklung nicht mehr erregt, und zwar durch Öffnen von einem oder von beiden Schaltern 33 und 34. Wenn beide Schalter 33 und 34 geöffnet sind, dann wird der Strom in der Phasenwicklung 30 von den Schaltern 33 und 34 übertragen und fließt durch die Dioden 35 und 36. Die Dioden 35 und 36 leiten dann die Gleichspannung, die an dem Gleichstrombus erscheint, in die entgegengesetzte Richtung, wodurch bewirkt wird, dass sich der Magnetfluss in der Maschine (und folglich der Phasenstrom) vermindert. Wenn der Strom um einen vorbestimmten Wert unter den Referenzstrom absinkt, dann wird die Phase nicht mehr erregt, und der Strom beginnt wieder anzusteigen.
Der Prozess des Erregens der Phasenwicklung 30, des Beendens der Erregung, wenn der Phasenstrom den Referenzstrom übersteigt, und deren erneutes Erregen, wenn der Phasenstrom um einen vorbestimmten Wert unter den Referenzstrom abfällt, wiederholt sich selbst während des Intervalls, der durch die Einschalt- und Ausschalt-Winkel definiert ist. Wenn der Motor eine Winkelposition erreicht, die dem Ausschaltwinkel entspricht, dann werden normalerweise die Schalter 33 und 34 geöffnet, und es wird dem Phasenstrom ermöglicht, auf Null abzufallen. An diesem Punkt schalten die Dioden 35 und 36 ab, wodurch die Phasenwicklung von der Stromzufuhr getrennt wird.
Wie für den Fachmann offensichtlich, ist die vorstehende Erläuterung der Stromsteuerung lediglich ein Beispiel von einer Stromsteuer-Strategie, die verwendet werden kann, und diese alternativen Strategien, z. B. Strategien, die das Freilaufen umfassen, können ebenfalls verwendet werden. Die in 3 dargestellte Schaltung kann ebenfalls verwendet werden, um die Einzelimpuls-Modus-Stromsteuerung zu implementieren.
Die inhärente induktive Eigenschaft einer Phasenwicklung kann zu Problemen bezüglich Übergangsspannung in den Formen von Spitzen führen, wenn die Spannung an der Wicklung umgeschaltet wird. Diese Spitzen haben einen sehr viel größeren Spitzenwert als die geschaltete Spannung und eine sehr hohe Steigung des Ansteigens und des Abfallens. Die Höhe der Spannung kann das Schaltelement beschädigen. Um dies in Betracht zu ziehen, ist es bekannt, eine sogenannte "Snubber"-Schaltung zu verwenden, die über dem Schalter angeschlossen ist, um Übergangsspannungsspitzen in dem Schalter zu unterdrücken. Bei diesen bekannten Snubber-Schaltungen wird die Steigung des Ansteigens und des Abfallens der Spannungsübergänge normalerweise unterdrückt, und zwar ohne merklich das Antwortverhalten des Schalters zu beeinflussen, um der Phasenwicklung den neuen Spannungspegel zu der gewünschten Zeit zuzuführen.
Wie in der vorstehenden Erläuterung angeführt, wenn ein geschalteter Reluktanzmotor (oder Generator) betrieben wird, dann steigt und sinkt der Magnetfluss in verschiedenen Teilen der Maschine kontinuierlich. Dieser sich verändernde Fluss findet sowohl bei der Zerhack-Modus- als auch der Einzelimpuls-Stromsteuerung statt. Der sich ändernde Fluss führt dazu, dass auf die ferromagnetischen Teilen der Maschine fluktuierende magnetische Kräfte aufgebracht werden. Diese Kräfte können unerwünschte Vibrationen und Geräusche erzeugen. Ein Hauptmechanismus, bei dem diese Kräfte Geräusche erzeugen können, ist das Unrundwerden des Stators, was durch die Kräfte über dem Luftspalt erzeugt wird. Da der Magnetfluss entlang eines gegebenen Durchmessers des Stators allgemein ansteigt, wird der Stator durch die magnetischen Kräfte in eine ovale Form gezogen. wenn der magnetische Fluss abnimmt, dann springt der Stator zurück in seine ungestörte Form. Dieses Unrundwerden und Rückspringen des Stators kann unerwünschte Vibrationen und hörbare Geräusche bewirken.
Zusätzlich zu den Störungen des Stators durch die das Unrundwerden bewirkenden magnetischen Kräfte können unerwünschte Vibrationen und akustische Geräusche außerdem durch abrupte Veränderungen der magnetischen Kräfte im Motor erzeugt werden. Das abrupte Aufbringen und Wegnehmen der magnetischen Kräfte kann bewirken, dass der Stator mit einer oder mehreren seiner natürlichen Resonanzfrequenzen vibriert. Allgemein dominiert die niedrigste natürliche Frequenz (oder Grundfrequenz) die Vibration, obwohl höhere Harmonische durch wiederholte Anregung bei der geeigneten Frequenz entstehen können.
Zusätzlich zu den Stator-Störungen, die aus dem vorstehend beschriebenen Unrundwerden und den Vibrationsphänomen resultieren, können die fluktuierenden magnetischen Kräfte in dem Motor den Stator auch auf andere Weise stören, wie zum Beispiel Störungen des Rotors und anderer ferromagnetischer Teile der Maschine. Diese zusätzlichen Störungen sind eine weitere mögliche Quelle unerwünschter Vibrationen und Geräusche.
Obwohl das Problem unerwünschter aktustischer Geräusche und Vibrationen erkannt wurde, lösen bekannte Steuersysteme für Reluktanzmotoren das Problem nicht auf adäquate Weise. Zum Beispiel wird das allgemeine Problem von akustischen Geräuschen in geschalteten Reluktanzmotorsystemen von C. Y. Wu und C. Pollock in "Analysis and Reduction of Vibration and Acoustic Noise in the Switch Reluctance Drive", Proceedings of the Industry Applications Society, IAS '93 Conference, Toronto, 2–8 Oct. 1993, Seiten 106–113, beschrieben.
Allgemein beinhaltet das von Wu und Pollock vorgeschlagene Verfahren die Steuerung des Stroms in der Phasenwicklung, dass der Strom in zwei aufeinanderfolgenden Schaltschritten so gesteuert wird, dass der zweite Schaltschritt um etwa die Hälfte von einem Resonanzzyklus nach dem ersten stattfindet, wobei der Resonanzzyklus durch die natürliche Frequenz der Maschine definiert ist. Dieser Lösungsansatz wird normalerweise durch Ausschalten von einer der Leistungsvorrichtungen zu einem ersten Zeitpunkt implementiert, um eine erste abgestufte Reduzierung der zugeführten Spannung zu bewirken, und dann durch späteres Abschalten der zweiten Leistungsvorrichtung. Zwischen dem Zeitpunkt, zu dem die erste Schaltvorrichtung abgeschaltet wird, und dem Zeitpunkt, zu dem die zweite Schaltvorrichtung abgeschaltet wird, ist es dem Strom möglich, frei durch eine Freilaufdiode und die zweite Schaltvorrichtung zu fließen.
Der Lösungsansatz der zweistufigen Spannungsreduzierung zur Geräuschverminderung bei geschalteten Reluktanzmotoren, wie vorstehend erläutert, leidet unter wesentlichen Beschränkungen und Nachteilen. Der Lösungsansatz der zweistufigen Spannungsreduzierung begrenzt die Flexibilität zur dynamischen Einstellung der Freilaufperiode für jeden Phasenzyklus. Wie vorstehend erläutert, ist bei dem Lösungsansatz der zweistufigen Spannungsreduzierung die Dauer der Freilaufperiode ausgewählt, um die durch das System erzeugten Geräusche zu reduzieren. Es gibt viele Fälle, in denen es wünschenswert wäre, die Freilaufdauer gemäß anderer Kriterien zu optimieren.
Eine zusätzliche Einschränkung bei dem Lösungsansatz an der zweistufigen Spannungsreduzierung und andere Lösungsansätze, die das Freilaufen verwenden, um Geräusche zu reduzieren, besteht darin, dass, da es normalerweise nur eine Freilaufperiode pro Phasenerregungszyklus gibt, das Freilaufen allgemein Geräusche reduziert, die durch lediglich eine einzige Frequenz des Motorsystems erzeugt werden. Freilaufen zum Reduzieren von Geräuschen bei einer Frequenz reduziert nicht notwendigerweise Geräusche, die bei anderen Frequenzen in Motorsystemen erzeugt werden, die mehr als eine Resonanzfrequenz haben. Folglich werden durch diese Lösungsansätze nicht viele der Frequenzen reduziert, bei denen unerwünschte Geräusche erzeugt werden. Ein weiterer Nachteil bei dem Lösungsansatz des Freilaufens besteht darin, dass es mehrere Motorschaltschaltungen gibt, die einfach kein Freilaufen ermöglichen. Diese Systeme können kein Freilaufen verwenden, um Geräusche zu reduzieren.
Die US-A-5,461,295 (Horst) offenbart eine Vorrichtung zur Steuerung des Stromprofils in einem geschalteten Reluktanzmotor. Der Phasenwicklungsstrom befindet sich anfänglich in einem ersten Teil der aktiven Periode des Schaltzyklus auf einem ersten Pegel. Danach wird er über einen zweiten Teil der aktiven Periode linear reduziert. Wenn der Strom infolge des Abschaltens der Schalter am Ende der aktiven Periode absinkt, dann wird der Übergang zwischen dem linear abnehmenden Strom in dem zweiten Teil der aktiven Periode und der Rampe des Absinkens des Stroms weniger abrupt, wodurch ein seichterer Übergang erreicht wird.
In dem Artikel "Acoustic Noise Cancellation Techniques for Switched Reluctance Drives" von C. Pollock und C. Y. Wu, Record of IAS Conference, Orlando, 8–12 October 1995, Seiten 448–455, ist ein Verfahren zum Reduzieren von aktustischen Geräuschen durch abruptes und wiederholtes Umkehren der Wicklungsspannung am Punkt des Kommutierens offenbart, um den Übergang zwischen Energiezuführung und Rückführung zu bewirken.
Die JP-A-07298669 offenbart eine Steuereinrichtung für eine geschaltete Reluktanzmaschine, bei der akustische Geräusche und Vibrationen durch Umschalten des Stroms mit einer Rate entsprechend der Drehgeschwindigkeit reduziert werden.
Die US-A-5,446,359 offenbart ein Verfahren zur Steuerung des Absinkens des Stroms in einem geschalteten Reluktanzmotor, um Motorgeräusche zu reduzieren. Der Strom wird während des aktiven Bereichs von jeder Phase profiliert, so dass er während der aktiven Periode abnimmt und es ihm dann in der inaktiven Periode ermöglicht wird, von der geringeren Stromhöhe abzusinken.
Die vorliegende Erfindung überwindet einige der Beschränkungen und Nachteile, die mit den bekannten Systemen in Beziehung stehen, und stellt eine Schaltung zum Erregen der Wicklungsphasen von einer geschalteten Reluktanzmaschine in einer besonderen Weise zur Verfügung, um unerwünschte Geräusche und Vibrationen zu reduzieren, die durch die Maschine erzeugt werden.
Die vorliegende Erfindung ist in den beigefügten unabhängigen Ansprüchen definiert. Bevorzugte Merkmale sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Bei einer speziellen Ausgestaltung stellt die Erfindung eine Stromsteuerschaltung für ein geschaltetes Reluktanzmaschinensystem zur Verfügung, mit einem Phasenleitungszyklus für die oder jede Phasenwicklung der Maschine, wobei der Zyklus eine aktive Periode, in der eine Speisespannung an der Phasenwicklung anliegt, um einen Phasenstrom aufrechtzuerhalten, eine Rampenperiode, in der der Strom auf Null reduziert wird, und eine inaktive Periode beinhaltet, in der die Phasenwicklung nicht gespeist wird, wobei die Schaltung Steuereinrichtungen, um den Strom in der Phasenwicklung zu steuern, einen Modulator, der auf ein Strompegelsignal von den Steuereinrichtungen anspricht, um ein moduliertes Ausgangssignal zu erzeugen, und Stromformungseinrichtungen enthält, um die Modulation des Ausgangssignals zu variieren, wobei die Steuereinrichtungen betrieben werden können, um das Ende der aktiven Periode zu bestimmen und es den Stromformungseinrichtungen zu ermöglichen, die Modulation des Ausgangssignals in einer Eckperiode zu variieren, und zwar im Anschluß an die aktive Periode, so dass der Strom in der Wicklung gemäß einer durch die Steuereinrichtungen bestimmten Kurve vor der Rampenperiode reduziert wird.
Die Erfindung stellt ein sogenanntes Eckfenster zur Verfügung, in dem der Strom in einer Phasenwicklung gesteuert wird, um einen sanften Übergang zwischen der aktiven Periode und dem Absinken des Stroms in der inaktiven Periode zu bewirken. Der Pegel des Stroms in der aktiven Periode, die Rate des Absinkens der inaktiven Periode sowie die Geschwindigkeit und die auf die Maschine wirkende Last können alle zur Bestimmung einer geeigneten Stromkurve in dem Eckfenster beitragen.
Die vorliegende Erfindung kann auf verschiedenen Wegen in die Praxis umgesetzt werden, von denen einige nun anhand von Beispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben sind, in denen:
1 eine Reluktanzmaschine gemäß Stand der Technik darstellt;
2A und 2B die Zerhack-Modus-Steuerung bzw. die Einzelimpuls-Steuerung von einer geschalteten Reluktanzmaschine darstellen;
3 eine Umschaltschaltung zur Steuerung der Speisung einer Phasenwicklung von einer geschalteten Reluktanzmaschine darstellt;
4 eine schematische Darstellung von einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist;
5 Wicklungsstromwellenformen darstellt; und
6 eine Wicklungsstromwellenform gemäß der Erfindung darstellt.
In dem Zerhack-Modus von einem geschalteten Reluktanzmotor wird der Strom in einer aktiven Periode des Gesamtbetriebszyklus normalerweise auf einen gewünschten Pegel gesteuert, wie zuvor in 2A gezeigt. In dem übrigen Teil der Phasenperiode sind die Schalter nicht leitend. Jede Phase wird der Reihe nach in der gleichen Weise gesteuert, und zwar gemäß der Eingabeanfrage und der auf den Motor wirkenden Last. Wenn die Schalter nicht leitend sind, dann sinkt der Strom in der Phasenwicklung innerhalb einer endlichen Periode. Die Erfindung stellt einen neuen Weg bezüglich des Übergangs von der aktiven Periode, in der die Schalter leitend sind, zu der Periode, in der die Schalter nicht leitend sind. Die Schaltung der Erfindung formt den Strom nahe dem Ende der aktiven Periode in einem sogenannten "Eckfenster" und steuert außerdem das Absinken des Stroms in einer "Rampen"-Periode, wenn der Strom etwa zu Null geworden ist. Als Teil des Übergangs ist es erforderlich, die Höhe des Stroms nahe dem Ende der aktiven Periode und die Rate des Absinkens des Stroms in der Rampenperiode zu bestimmen, um geglättet zu werden. Die effektive Höhe des Stroms und die Steigung der Rampe gehen mit Hilfe der Erfindung sanft ineinander über, um einen abrupten Übergang zwischen ihnen zu vermeiden, was anderenfalls eine Quelle möglicher Vibrationen und akustischer Geräusche sein könnte.
Es gibt viele bekannte Verfahren zur Strom-Regelung, die verwendet werden können, um den Strom während der aktiven Periode zu steuern. Diese Verfahren umfassen die Hysterese-Steuerung (wobei es dem Strom möglich ist, von einer oberen Grenze zu einer unteren Grenze abzufallen) und pulsweitenmodulierte (PWM) Steuerung (bei der der Tastzyklus des PWM-Signals eine Maßnahme des erforderliche Stroms ist). Diese Erfindung hängt nicht von irgendeinem bestimmten Typ der Strom-Regelung ab. Zur Vereinfachung basiert die nachfolgende Beschreibung auf einer PWM-Steuerung. Daher entspricht die aktive Periode von einem leitenden Zyklus für eine gegebene Phase einem PWM-Signal mit eine Tastzyklus, der mit dem Strompegel in Einklang steht, der beibehalten werden soll.
Unter Bezugnahme auf 4 beinhaltet das Antriebssystem für einen geschalteten Reluktanzmotor eine auf eine Mikroprozessor basierende Steuerung 100, die ein Eingangsabfragesignal auf Leitung 102 empfängt, das mit einer gewünschten Drehzahl oder Drehmomentausgabe des Motors in Beziehung steht.
Die Stromwellenform der Phasenwicklung, und zwar bei Steuerung in der zu beschreibenden Weise, ist in 5(b) gezeigt. Die Abschnitte der Wellenform, die mit "aktiv", "Ecke", "Rampe" und "inaktiv" bezeichnet sind, werden nachfolgend erläutert. Ein Rotorpositionssignal wird von einem Rotorpositionsmesswandler 104 zurückgeführt, der montiert ist, um mit einem zu steuernden geschalteten Reluktanzmotor 106 zu rotieren. Gemäß dem Fehler e, der die Differenz zwischen der Abfrageeingabe und der aktuellen Ausgabe von dem Motor für eine gegebene Last ist, wie von der Ausgabe des Rotorpositionsmesswandlers 104 abgeleitet, wird ein pulsweitenmoduliertes Signal auf einem Bus 108 von einem Pulsweitenmodulator 110 bezüglich seines Tastzyklus für eine zeitlich gesteuerte Phasenerregung der Statorwicklungen des Motors 106 eingestellt.
Die Ausgabe von dem Pulsweitenmodulator 110 wird als ein digitales Wort auf dem Bus 108, mit einer Höhe, die dem Tastzyklus entspricht, einem Abwärtszähler und Komparator 112 zugeführt. In Perioden, in denen die Pulsweitenmodulation für eine gegebene Phase aktiv ist, um den Strompegel während der Phasenerregung zu steuern, wird ein aktives Signal auf Leitung 114 von der Steuerung 100 zu dem Zähler und Komparator 112 übertragen, um dessen Betrieb zu deaktivieren, so dass die Ausgabe von dem Zähler und Komparator in der aktiven Periode von einem Zyklus eine nicht modifizierte Form von dem pulsweitenmodulierten Ausgangssignal ist. Die Steuerung 100 erzeugt ebenfalls eine Ausgabe, die ein Signal ist, das ein Ende von dem Eckfenster auf dem Bus 116 angibt, d. h. der Moment, in dem die Ecken-bildenden Enden und die Abwärtsrampe des Stroms beginnt. Dies ist ein digitales Wort, das einem Komparator und einer Synchronisationsschaltung 118 zugeführt wird. Das digitale Wort hat einen Wert, der mit dem Wert von dem Pulsweitenword auf Bus 120 von dem Abwärtszähler 112 in dem Eckfenster verglichen wird. Eine Parität zwischen den beiden digitalen Wörtern auf den Bussen 116 und 120 bewirkt daher eine Ausgabe von dem Komparator 118, die das Ende der Eckfensterperiode angibt.
Das aktive Signal von der Steuerung 100 wird ebenfalls von dem Komparator 118 empfangen, um diesen in der aktiven Periode zu deaktivieren, in der eine Erregung der Phasenwicklungen stattfindet. Der Komparator definiert somit das Eckfenster, in dem der Übergang zwischen der aktiven Periode und der Rampenperiode sanft beeinflusst werden soll. Der andere Parameter der Stromformung für einen sanften Übergang zwischen den aktiven und inaktiven Perioden ist die Zählrate des Zählers 112.
Ein Multiplexer 122 wird durch übertragene aktive Impulse gemäß der Steuerung in der aktiven Periode zu stromformender Pulsweitenmodulation in dem Eckfenster geschaltet, und zwar durch die Ausgabe von dem Komparator 118. Die Steuersignale von sowohl den aktiven als auch den Eckfensterperioden werden der Schutzlogik 124 zugeführt, die die Ausgabe von dem Multiplexer 122 als ein Steuersignal an eine herkömmliche Umschaltschaltung 126 für die Maschine weiterleitet. Die Schutzlogik umfasst einen Komparator, der ein Signal, das den Wicklungsstrom darstellt, mit einem Grenzwertpegel vergleicht. Wenn der Grenzwert überschritten wird, dann besteht eine Überstromsituation, und das Umschalten des Motors wird unterbrochen, um eine Beschädigung des Systems zu verhindern. Die Schutzlogik erzeugt außerdem ein hinteres Ecksignal des Steuerimpulses auf Leitung 128, das verwendet wird, um die Ausgabe des Abwärtszählers so zu synchronisieren, dass das variable Pulsweitenmodulationssignal in dem Eckfenster sanft von der Pulsweitenmodulation in die aktive Periode übergeht.
Die Steuerung und die zugehörige Steuerhardware, die vorstehend beschrieben wurden, sind in diesem Ausführungsbeispiel als eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC) implementiert, wie für den Fachmann bekannt. Andere Formen der Implementierung sind dem Fachmann bekannt.
5(a) zeigt den typischen abrupten Übergang des Stroms gemäß Stand der Technik zwischen der aktiven Periode, in der der zerhackte Strom auf einen gewünschten Pegel in der Phasenwicklung geregelt ist, und der Rampenperiode. 5(b) zeigt den sanften Übergang, der gemäß der Erfindung bewirkt wird, wobei ein abgerundeter Stromübergang zwischen der aktiven Periode und der allgemein linearen Rampe des absinkenden Stroms bewirkt wird. Die abgerundete Stromformung wird durch den Abwärtszähler bewirkt, der den Tastzyklus der Pulsweitenmodulation in dem Eckfenster mit einer Rate und über eine Periode dekrementiert, die durch die Steuerung berechnet oder gefunden wird.
Es wird nun wieder auf 4 Bezug genommen, in der der Abwärtszähler 112 das Pulsweitenmodulationssignal als das 8-Bit-Wort auf Bus 108 nimmt und den Wert an jeder abfallenden Ecke den Ausgangssteuerimpulse während der aktiven Periode hält. Es ist sicherzustellen, dass am Ende der aktiven Periode der letzte Pulsweitenmodulationssignalwert in den Zähler geladen wird, der bereit ist, um mit dem Dekrementieren zu beginnen, um fortlaufende kürzere Impulse zu erzeugen und um so den Motorstrom zu reduzieren, um die abgerundete Ecke zu bilden. Die Zählrate wird bewirkt, indem die geforderte Frequenz in der Steuerung eingestellt und sie als ein Abwärtszählratensignal auf dem Bus 125 zu dem Abwärtszähler 112 übertragen wird.
Der Komparator 118 vergleicht die dekrementierte Impulsweite mit der Endimpulsweite, die ebenfalls als ein berechneter Wert von dem Mikroprozessor auf dem Bus 116 gesendet wird. Dadurch wird die Eckfensterperiode erzeugt, in der die Abwärtszählrate dekrementiert wird. Das Fenster startet an dem Ende der aktiven Periode und endet, wenn die dekrementierte Impulsweite gleich der Endimpulsweite ist.
In dem Eckfenster werden die Steuerimpulse fortgesetzt, aber gemäß dem verkürzten Tastzyklus des pulsweitenmodulierten Signals fortlaufend kürzer gemacht, wodurch der Strom in der Wicklung kleiner wird. Dies erfolgt auf eine solche Weise, um einen sanften Übergang des Stroms zwischen der etwa abgeflachten Wellenform in der aktiven Periode und dem lineare Absinken in der Rampenperiode zu erzeugen. Da die Höhe von dem abgeflachten Strom und der optimale Gradient der Rampe wahrscheinlich über die Drehzahl- und Drehmoment-Bereiche von einem gegebenen Motor variieren, muss die Steuerung eine ausreichende Steuerung über sowohl die Periode des Fensters als auch die Rate haben, mit der die Impulsweite in dem Fenster dekrementiert wird. Das Eckfenster wird bei einer fallenden Kante von einem Steuerimpuls in der aktiven Periode gestartet, zeitlich gesteuert durch die hintere Kante von dem Steuerimpuls auf Leitung 128. Es endet, wenn die dekrementierten Impulse einen vorbestimmten Endwert erreichen, der in diesem Fall als ein 8-Bit-Wort von der Steuerung auf den Bus 116 eingestellt ist. Die Frequenz, mit der die Steuerimpulsweite dekrementiert wird, wird ebenfalls durch die Steuerung als ein 8-Bit-Wort eingestellt und auf dem Bus 125 zu dem Zähler 112 gesendet. Mit diesen beiden Variablen ist es möglich, die Eckform über den gesamten Drehzahl-/Drehmoment-Bereich adäquat zu steuern.
Die Werte von der Länge des Eckfensters und der Rate, mit der das Abwärtszählen erfolgt, können empirisch bestimmt werden. Das heißt, dass bei jedem von einem Satz von Motorlastpunkten die Stromwellenform auf einem Oszilloskop beobachtet wird, und zwar beispielsweise unter Verwendung einer Hall-Effekt-Stromsonde an der Wicklung, und die aktustischen Geräusche werden entweder in einer schalltoten Kammer oder qualitativ durch das Ohr geschätzt. Es ist dann möglich, eine Verweistabelle in der Steuerung zum Speichern dieser Werte zu erstellen. Zum Beispiel kann bei einem Waschmaschinenantrieb die Ausgestaltung lediglich eine Geräuschreduzierung bei einer kleinen Anzahl von Drehzahlen für unterschiedliche Belastungen erforderlich machen. Daher kann die Menge an variablen Daten auf die eingestellten Drehzahlen bei den Lasteinstellungen begrenzt und dann in dem ASIC fest eingestellt werden. Normalerweise werden für jede Einstellung die Zählrate und der Endwert eingestellt, bis subjektiv eine gute Geräuschreduzierung erreicht ist. Alternativ ist es möglich, die Werte an jedem Lastpunkt in Echtzeit aus einem Satz von linearen Gleichungen zu berechnen, die aus dem Satz von gemessenen Werten abgeleitet sind, in empirisch abgeleitet sind. In anderen Systemen kann es sein, dass eine lineare Annäherung nicht ausreichend genau ist. In diesem Fall kann ein am besten passendes Polynominal verwendet werden, vorausgesetzt, dass die Steuerung schnell genug ist, um die erforderlichen Werte in der verfügbaren Zeit zu berechnen.
Es ist ebenfalls möglich, und zwar unter Verwendung der Schaltung aus 4, das vordere Ende der Stromwellenform zu modifizieren. Dies kann entweder zusätzlich zu oder als Ersatz für die vorstehend beschriebene Eckfensterformung erfolgen. Die ansteigende Kante der Wellenform kann "geglättet" werden, indem der Tastzyklus des PWM-Signals so eingestellt wird, um zu einer Wellenform zu führen, wie sie in 6 gezeigt ist. Dies kann außerdem Vorteile für die akustische Leistungsfähigkeit des Antriebssystems haben.
Die Erfindung wurde in Bezug auf die Pulsweitenmodulation für eine Zerhack-Steuerung der Phasenwicklungen beschrieben. Andere digitale Modulationsschemen können verwendet werden, die auf einer digitalen Modulationsinformation beruhen, z. B. Pulsamplitudenmodulation. Außerdem kann eine analoge Implementierung der Erfindung ähnliche Vorteile für die Verwendung von einem Eckfenster zwischen den aktiven und inaktiven Perioden von einem Phasenleitungszyklus bewirken, wobei auf ähnliche Weise eine am besten passenden Kurve zum Glätten des Übergangs zwischen den Perioden berechnet wird.
Obwohl die Erfindung in Verbindung mit der Zerhack-Modus-Wellenform beschrieben wurde, die durch den Stand der Technik in 2A exemplarisch dargestellt ist, ist es aus der obigen Beschreibung offensichtlich, dass die Technik gleichermaßen gut auf die Einzelimpuls-Wellenform in 2B angewendet werden kann, um den Übergang an dem Ausschaltwinkel abzurunden.
Daher, obwohl die Erfindung in Verbindung mit den dargestellten Ausführungsbeispielen beschrieben wurde, wie oben erläutert, erkennt der Fachmann, dass viele Abwandlungen durchgeführt werden können, ohne von der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Folglich stellt die obige Beschreibung lediglich ein Beispiel dar und dient nicht dem Zweck einer Beschränkung.
Die vorliegende Erfindung soll daher lediglich durch den Inhalt und den Schutzbereich der nachfolgenden Ansprüche beschränkt werden.

Claims

Stromsteuerschaltung für ein geschaltetes Reluktanzmaschinensystem mit einem Phasenleitungszyklus für die oder jede Phasenwicklung (30) der Maschine (106), wobei dieser Zyklus eine aktive Periode, in der eine Speisespannung an der Phasenwicklung anliegt, um einen Phasenstrom aufrechtzuerhalten, eine nachfolgende Periode, in der der Strom auf Null reduziert wird, und eine inaktive Periode beinhaltet, in der die Phasenwicklung nicht gespeist wird, wobei die Schaltung Steuereinrichtungen (100, 118) aufweist, die betrieben werden können, um ein Strompegelsignal (e) zur Steuerung von dem Strom in der Phasenwicklung entsprechend dem Zyklus zu erzeugen, und weiterhin betrieben werden können, um das Ende der aktiven Periode zu bestimmen und um den Strom in einer Eckperiode zu steuern, die sich an die aktive Periode anschließt, so dass der Strom in der Wicklung gemäß einer vorbestimmten Kurve vor der Rampenperiode reduziert wird, wobei die nachfolgende Periode eine Rampenperiode ist, in der der Phasenstrom in einer im wesentlichen linearen Weise auf Null reduziert wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtungen betrieben werden können, um basierend auf zumindest einem von der Geschwindigkeit und der Last an der Maschine ein Stromprofil für den Strom in der Eckperiode abzuleiten, um einen sanften Übergang zwischen dem Strom in der aktiven Periode und dem Strom in der Rampenperiode zu erreichen.
Schaltung nach Anspruch 1, mit einem Modulator (110), der auf das Strompegelsignal von den Steuereinrichtungen anspricht, um ein moduliertes Ausgangssignal zur Steuerung des Stroms in der oder jeder Phasenwicklung zu erzeugen.
Schaltung nach Anspruch 2, mit Stromformungseinrichtungen (112), um die Modulation des Ausgangssignals zu variieren.
Schaltung nach Anspruch 3, bei der die Steuereinrichtungen betrieben werden können, damit die Stromformungseinrichtungen die Modulation des Ausgangssignals in der Eckperiode variieren können.
Schaltung nach Anspruch 3 oder 4, bei der die Steuereinrichtungen eine Verweistabelle beinhalten, in der das Stromkurvenprofil für die Stromformungseinrichtungen gespeichert ist.
Schaltung nach Anspruch 3 oder 4, bei der die Steuereinrichtungen Prozessoreinrichtungen (100) aufweisen, die betrieben werden können, um das Stromkurvenprofil für die Stromformungseinrichtungen zu berechnen.
Schaltung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, mit einem Multiplexer (122), der betrieben werden kann, um das Ausgangssignal von der Stromformungseinrichtung abzuleiten und um das Ausgangssignal von dem Modulator am Ende der aktiven Periode zu deaktivieren.
Schaltung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, bei der die Steuereinrichtungen betrieben werden können, um den Anfang der aktiven Periode zu bestimmen und um zu ermöglichen, dass die Stromformungseinrichtungen die Modulation des Ausgangssignals zu Beginn der aktiven Periode so variieren, dass der Strom in der Wicklung gemäß einer Kurve ansteigt, die durch die Steuereinrichtungen bestimmt ist, bevor ein Spitzenwertstrom erreicht ist, um einen relativ sanften Übergang zwischen dem ansteigenden Strom am Anfang der aktiven Periode und dem Spitzenwertstrom zu erreichen.
Schaltung nach einem der Ansprüche 3 bis 8, bei der die Stromformungseinrichtungen einen Zähler (112) aufweisen, die Steuereinrichtungen dazu ausgestaltet sind, um ein Zählratensignal (125) zu dem Zähler zu liefern, um die Zählerzählrate einzustellen, und um ein Signal (108) zu liefern, das das modulierte Ausgangssignal in der aktiven Phase angibt, wobei die Ausgabe von dem Zähler dem Stromkurvenprofil in einer Periode entspricht, die durch die Höhe des modulierten Ausgangssignals bestimmt ist.
Schaltung nach Anspruch 9, bei der die Steuereinrichtungen betrieben werden können, um den Zähler während der aktiven Periode zu deaktivieren.
Schaltung nach Anspruch 9 oder 10, mit einer Zeitgebereinrichtung (118), die auf die hinteren Kanten des pulsbreitenmodulierten Ausgangssignals anspricht, um den Zähler zu aktivieren.
Schaltung nach einem der Ansprüche 2 bis 11, bei der der Modulator ein Pulsbreitenmodulator (110) ist, der betrieben werden kann, um ein pulsbreitenmoduliertes Ausgangssignal zu erzeugen.
Schaltung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, mit einem Komparator (118), wobei die Steuereinrichtungen betrieben werden können, um ein Endsignal zu erzeugen, das das pulsbreitenmodulierte Ausgangssignal angibt und dem Ende der Eckperiode entspricht, wobei der Komparator dazu ausgestaltet ist, um die Ausgabe von dem Zähler und das Endsignal zu empfangen und um ein Endkurvensignal zu übertragen, um am Ende der Kurve die speisende Spannung zu unterbrechen, die an den Wicklungen anliegt.
Verfahren, um den Strom in einer geschalteten Reluktanzmaschine (106) zu steuern, die zumindest eine Phasenwicklung (30) aufweist, in der während eines Phasenleitungszyklus Strom fließt, wobei der Zyklus eine aktive Periode, in der eine Speisespannung an der Phasenwicklung anliegt, um einen Phasenstrom aufrechtzuerhalten, eine nachfolgende Periode, in der der Strom auf Null reduziert wird, und eine inaktive Periode beinhaltet, in der die Phasenwicklung nicht gespeist wird, wobei das Verfahren umfasst: Erzeugen eines Strompegelsignals (e); Regulieren des Stroms in Reaktion auf das Strompegelsignal in der aktiven Periode; Bestimmen des Endes der aktiven Periode; und Reduzieren des Stroms in der Wicklung in einer Eckperiode, die sich an die aktive Periode anschließt, gemäß einer Kurve vor der nachfolgenden Periode, gekennzeichnet durch das Ableiten eines Stromprofils für den Strom in der Eckperiode basierend auf zumindest einem von der Geschwindigkeit und der Last an der Maschine, um einen sanften Übergang zwischen dem Strom in der aktiven Periode und dem Strom in der nachfolgenden Periode zu erreichen.
Verfahren nach Anspruch 14, mit dem Ableiten eines pulsbreitenmodulierten Signals (108) zum Regulieren des Stroms in der aktiven Periode.
Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, bei dem der Strom in der Eckperiode variiert wird, um einen sanften Übergang zwischen dem Strom in der aktiven Periode und dem Strom in der nachfolgenden Periode zu erreichen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, mit dem Liefern eines Zielratensignals (125) zu einem Zähler (112) gemäß zumindest einem von der Geschwindigkeit und der Last an der Maschine, wodurch der Zählratenausgang (120) des Zählers eingestellt wird, und Liefern eines Signals, das den modulierten Strom in der aktiven Periode angibt, zu dem Zähler, wobei die Ausgabe von dem Zähler dem Stromkurvenprofil in einer Periode entspricht, die durch die Höhe von dem Strom in der aktiven Periode bestimmt ist.
Verfahren nach Anspruch 17, bei dem der Zähler während der aktiven Periode deaktiviert ist.
Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, sofern abhängig von Anspruch 15, mit der zeitabhängigen Aktivierung des Zählers bezüglich der hinteren Kanten des pulsbreitenmodulierten Signals.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 19, mit dem Erzeugen eines Endsignals, das das pulsbreitenmodulierte Ausgangssignal angibt und dem Ende der Kurve entspricht; Vergleichen der Ausgabe des Zählers mit dem Endsignal; und Übertragen eines Endkurvensignals am Ende der Kurve.