DE69731594T2

DE69731594T2 - Steuerkreis für einen geschalteten Reluktanzmotor

Info

Publication number: DE69731594T2
Application number: DE69731594T
Authority: DE
Inventors: Ki-Bong Suwon-city Kim
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 1996-11-04
Filing date: 1997-09-26
Publication date: 2005-03-31
Anticipated expiration: 2017-09-27
Also published as: CN1055809C; EP0840438A2; JPH10146082A; US5821723A; KR100210083B1; DE69731594D1; CN1181657A; EP0840438A3; EP0840438B1; KR19980033924A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Antriebsschaltkreis eines geschalteten Reluktanzmotors, der einen Schaltkreis hat, der vorgesehen ist, um wahlweise Ströme durch die Statorspulen des geschalteten Reluktanzmotors in Abhängigkeit von der Position des Rotors des angetriebenen Motors zu leiten.
Unter Bezugnahme auf die 1 weist ein geschalteter Reluktanzmotor (geschalteter Reluktanzmotor) einen Stator 2 und einen Rotor 4 auf. Der Stator hat A-, B- und C-Phasenspulen 6, 8, 10, die an +A- und –A-Polen, +B- und –B-Polen, und +C- und –C-Polen jeweils gewickelt sind.
Unter Bezugnahme auf die 2 umfasst ein Antriebsschaltkreis für einen solchen geschalteten Reluktanzmotor eine Glättungskapazität C, die eine Gleichspannung ermöglicht, erste bis sechste Schaltelemente Q1, ..., Q6, die den elektrischen Strom an die Phasenspulen 6, 8, 10 leiten, sowie sechs Dioden D1 bis D6 zum Schutz der Schaltelemente Q1, ..., Q6 vor der gegenelektromotorischen Kraft, die erzeugt wird, wenn die Schaltelemente Q1, ..., Q6 abgeschaltet werden.
Unter Bezugnahme auf die 3 besteht ein herkömmliches Geschwindigkeitskontrollgerät für einen geschalteten Reluktanzmotor zum Kontrollieren des Antriebsschaltkreises aus einer Signalkontrollstufe 12 und einen Pulsweitenmodulationsstufe 14.
Bei dem Geschwindigkeitskontrollgerät für einen geschalteten Reluktanzmotor nach der 3 erzeugt die Signalkontrollstufe 12 ein Frequenzkontrollsignal, ein Pulsweitenkontrollsignal, sowie ein Arbeitszykluskontrollsignal. Das Frequenzkontrollsignal entspricht einem Rotorpositionssignal, welches von einem A-Phasenpositionssensor (nicht gezeigt) geliefert wird, oder einem A-Phasenpositionssignal. Die Pulsweitenmodulationsstufe 14 erzeugt ein Unterbrechungssignal, dessen Pulsweite in Antwort auf die drei Kontrollsignale moduliert wird, die von der Signalkontroll stufe 12 ausgegeben werden, und dieses wird an den Steueranschluß des ersten Schaltelements Q1 angelegt. Die Pulsweitenmodulationsstufe 14 legt auch das A-Phasenpositionssignal an das Gate des zweiten Schaltelements Q2 an.
Ein alternatives Beispiel eines herkömmlichen Geräts zur Geschwindigkeitskontrolle, welches vorgesehen ist, um ein Unterbrechersignal zu erzeugen, um damit die Geschwindigkeit eines geschalteten Reluktanzmotors zu kontrollieren, ist in der 4 gezeigt. Ein weiterer Stand der Technik benutzt einen Mikroprozessor 16, der ein A-Phasenpositionssignal von einem A-Phasenpositionssensor empfängt, einen Geschwindigkeitserfassungssensor, und einen Drehmomentsensor (nicht dargestellt) hat und es erzeugt ein Unterbrechungssignal, dessen Pulsweite in der Frequenz, in der Pulsweite und im Arbeitszyklus auf der Basis der empfangenen Signale moduliert wird und an das Gate des ersten Schaltelements Q1 angelegt wird. Der Mikroprozessor 16 legt das A-Phasenpositionssignal ebenso an das Gate des zweiten Schaltelements Q2 an.
Falls das Unterbrechersignal von der Pulsweitenmodulationsstufe 14 und das A-Phasenpositionssignal jeweils an das erste und das zweite Schaltelement Q1 und Q2 angelegt werden, so werden diese Elemente Q1 und Q2 in Antwort darauf geschaltet, wodurch der Strom zu der A-Phasenspule 6 geleitet wird. Zu diesem Zeitpunkt ist die Spannung über und der Strom, der durch die A-Phasenspule 6 fließt wie in der 5 gezeigt.
Das erste Schaltelement Q1 wird in Antwort auf das Unterbrechersignal während des Anschaltens des Schaltelements Q2 durch das A-Phasenpositionssignal geschaltet, so dass es ermöglicht ist, dass der elektrische Strom unterbrochen wird, der in die A-Phasenspule 6 fließt, so dass ein Ansteigen des Stromes begrenzt ist und somit der Strom durch die A-Phasenspule 6 reguliert wird.
Die +A- und –A-Pole des Stators 2, auf dem die A-Phasenspule gewickelt ist, erzeugen eine magnetische Kraft, die proportional zu dem regulierten Strom IA durch das Unterbrechen der Stromwellenform, wie oben beschrieben, ist, und dreht den Rotor 4, indem die magnetischen Pole des Rotors 4 benachbart den +A- und –A-Polen des Stators 2 angezogen werden, gefolgt von den Schaltoperationen der dritten bis sechsten Schaltelemente Q3 bis Q6, entsprechend den jeweiligen Positionssignalen der B- und C-Phasen, die dem Rotor 4 zugeordnet sind. Dann legen die Schaltoperationen die unterbrochenen Ströme an die B- und C-Phasen 8 und 10 an, so dass die Erzeugung einer magnetischen Kraft bewirkt wird, die proportional zu dem Strom mit der unterbrochenen Wellenform ist, und zwar in der Reihenfolge A-Phase, B-Phase und C-Phase, so dass der Rotor 4 kontinuierlich dreht.
Da die Geschwindigkeit des Rotors 4 von der Intensität der erzeugten magnetischen Kraft abhängt, kann die Kontrolle der Geschwindigkeit des geschalteten Reluktanzmotors ausgeführt werden, indem die elektrischen Ströme erhöht oder verringert werden, die durch die Phasenspulen 6, 8, 10 fliessen, und zwar durch die Anpassung der Frequenz, der Pulsweite und des Arbeitszyklus des unterbrochenen Signals in Übereinstimmung mit der gewünschten Motordrehzahl des geschalteten Reluktanzmotors.
Falls jedoch der geschaltete Reluktanzmotor mit hoher Geschwindigkeit (z. B. 3000 U/min) gedreht wird, so werden die Zeitspannen der Rotorpositionssignale, die von den Positionssensoren für jede Phase erzeugt werden, extrem kurz werden. Dadurch wird bewirkt, dass die Pulsweitenmodulationsstufe 14 ein Unterbrechersignal erzeugt, dessen Freuqenz die Schaltgeschwindigkeit der ersten, dritten und fünften Schaltelemente Q1, Q3 und Q5 übersteigt, so dass das Schalten in Antwort auf das Unterbrechersignal nicht mehr prompt bzw. rechtzeitig ausgeführt werden kann. Somit wird ein Problem derart erzeugt, dass eine ungenaue Kontrolle des Stroms in jeder Phasenspule des Stators 2 vorliegt, wodurch die Kontrolle der Motordrehzahl noch schlechter wird.
Daher ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die oben geschilderten Probleme zu lösen.
Ein Antriebsschaltkreis nach der vorliegenden Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass eine Stromversorgungseinrichtung zum Anlegen einer variablen Gleichstromspannung an den Schaltabschnitt vorgesehen ist, um so die Stärke der Ströme zu variieren, die durch die Statorspulen des Motors geleitet werden und um so die Drehzahl des Motors zu kontrollieren, der von dem Schaltkreis angetrieben wird.
Vorzugsweise umfasst die Stromversorgungseinrichtung einen Wechselstromeingang, einen Gleichrichter und Schaltmittel, um die Proportion eines Wechselstromsignals zu justieren, welches an den Wechselstromeingang angelegt ist, der dem Gleichrichter zugeführt wird.
Vorzugsweise umfassen die Schaltmittel eine Spule, einen variablen Widerstand und eine Kapazität, die in Reihe über den Wechselstromeingang geschaltet sind, und eine Zweiweg-Thyristortriode, die in Reihe mit dem Gleichrichter und dem Wechselstromeingang geschaltet ist, und eine Zweiweg-Thyristordiode, die zwischen einem Anschluß der Kapazität und dem Gate der Zweiweg-Thyristortriode angeschlossen ist, so dass die Zweiweg-Thyristordiode durchleitet, wenn die Kapazität auf einen bestimmtes Niveau aufgeladen ist.
Vorzugsweise umfasst ein Schaltkreis nach der vorliegenden Erfindung einen Rotorpositionssensor zum Erfassen der Rotorposition des geschalteten Reluktanzmotors. Besonders bevorzugt umfasst der Schaltkreis eine Mehrzahl von Schaltelementen und jedes Schaltelement wird durch ein zugehöriges Kontrollsignal kontrolliert, welches einzig von der erfassten Rotorposition abhängig ist. Noch weiter bevorzugt sind die Schaltelemente in Paaren arrangiert, wobei jedes Paar derart angeordnet ist, dass eine Statorspule des geschalteten Reluktanzmotors in Reihe dazwischen geschaltet ist.
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nun beschrieben werden, beispielhaft und unter Bezugnahme auf die 6 bis 10, gemeinsam mit den zugehörigen Zeichnungen, in denen:
1 den Aufbau eines herkömmlichen geschalteten Reluktanzmotors zeigt;
2 einen Schaltplan eines Antriebsschaltkreises des herkömmlichen geschalteten Reluktanzmotors nach der 1 zeigt;
3 ein Blockdiagramm eines Kontrollgeräts für die Drehzahl eines herkömmlichen geschalteten Reluktanzmotors zeigt;
4 ein Blockdiagramm eines weiteren herkömmlichen Kontrollgeräts für die Drehzahl eines geschalteten Reluktanzmotors zeigt;
5 die kontrollierte Spannung und die Stromwellenform für eine Statorspule illustriert;
6 ein Blockdiagramm eines Kontrollgeräts für die Drehzahl eines geschalteten Reluktanzmotors nach der vorliegenden Erfindung zeigt;
7 ein Schaltkreisdiagramm eines Antriebsschaltkreises nach der vorliegenden Erfindung zeigt;
8 die Wellenform der Spannung einer Hauptversorgung zeigt;
9 die Wellenform der phasenkontrollierten Wechselspannung zeigt, die mittels der Wechselspannungsunterbrechungsstufe nach der 7 erzeugt wird; und
10 den Strom und die Wellenform der Spannungen für eine Statorspule zeigt, die von dem Kontrollgerät für die Drehzahl des geschalteten Reluktanzmotors nach der vorliegenden Erfindung kontrolliert wird.
Unter Bezugnahme auf die 6 umfasst ein Kontrollgerät für die Drehzahl bzw. Geschwindigkeit des geschalteten Reluktanzmotors eine Schwellenwertstufe 20, eine Wechselspannungsunterbrechungsstufe 30 und eine Gleichrichterstufe 40.
Die Schwellenwertstufe 20 empfängt eine herkömmlich verfügbare Wechselspannung. Die Wechselspannungsunterbrechungsstufe 30 kontrolliert die Proportion des Wechselspannungszyklus, der der Gleichrichterstufe 40 zugeführt wird, in Abhängigkeit von der Schwellenwertstufe 20.
Die Gleichrichterstufe 40 richtet die unterbrochene Wechselspannung vollständig gleich, um eine Gleichspannung zu erhalten, und dann wird diese an einen Antriebsschaltkreis das geschalteten Reluktanzmotors geleitet.
Unter Bezugnahme auf die 7 umfasst dort die Schwellenwertstufe 20 eine Spule L1, einen Widerstand R1 und einen Widerstand R2 und einen variablen Widerstand VR, die parallel geschaltet sind, und eine Kapazität C. Die Spule L1, die Widerstände R1, R2 und VR sowie die Kapazität sind verbunden, um einen LRC-Reihen-Resonanzkreis auszubilden.
Die Wechselspannungsunterbrechungsstufe 30 umfasst einen Widerstand R3, eine Zweiweg-Thyristordiode DA und eine Zweiweg-Thyristortriode TA. Die Zweiweg-Thyristordiode erzeugt Auslösepulse zum Schalten der Zweiweg-Thyristortriode TA, um die Proportion des Wechselspannungszyklus zu kontrollieren, der an die Gleichrichterstufe 40 angelegt wird.
Die Gleichrichterstufe 40 besteht aus einer Diodenbrücke BD und aus einer Glättungskapazität C2. Die Diodenbrücke BD wird benutzt, die unterbrochene Hauptwechselspannung wieder in eine volle Welle zu richten bzw. zu bringen, und die Glättungskapazität C2 wird benutzt, um Welligkeitskomponenten, die in der resultierenden Gleichspannung enthalten sind, zu entfernen, die dann an den Antriebsschaltkreis 50 angelegt wird.
Der Antriebsschaltkreis 50 umfasst sechs Schaltelemente Q1, ..., Q6, um die Gleichspannung an jede der Phasenspulen 52, 54, 56 anzulegen, unter Referenz auf das Rotorpositionssignal von jedem Phaseneingang von dem Positionssensor, und sechs Dioden D1, ..., D6 zum Schutz der Schaltelemente Q1, ..., Q6 vor der gegenelektromotorischen Kraft, die erzeugt wird, wenn die jeweiligen Schaltelemente Q1, ..., Q6 abgeschaltet werden.
Der Betriebsablauf des Schaltkreises ist in der 7 gezeigt und wird nun beschrieben, mit Bezug zu den 6 bis 10.
Wenn ein Nutzer den variablen Widerstand VR der Schwellenwertstufe 20 justiert, um eine gewünschte Drehzahl des Motors zu erreichen, wird dementsprechend die Impedanz der Resonanzfrequenzerzeugungsstufe 20 verändert. Spezifischer ausgedrückt, wird die Kapazität C1 mit der Wechselspannung über die drei Widerstände R1, R2 und VR und die Reaktanz L1 geladen, und wird dann in jedem Zyklus des Hauptwechselspannung entladen. Die Laderate der Kapazität C1 wird variiert, indem der Wert des variablen Widerstandes VR variiert wird. Die Zweiweg-Thyristordiode DR leitet durch, wenn die Spannung über die Kapazität C1 außerhalb eines Spannungsbereichs liegt, der sich zu beiden Seiten von 0 V erstreckt.
Wenn die Zweiweg-Thyristordiode DR durchleitet, so wird ein Signal an das Gate der Zweiweg-Thyristortriode TR angelegt, so dass die Zweiweg-Thyristortriode TR durchleitet. In der Folge wird die Hauptwechselspannung unterbrochen, wie es in der 8 und der 9 gezeigt ist. Es kann erkannt werden, dass die Zweiweg-Thyristortriode TR in dem nichtleitenden Zustand für die Zeitspanne "a" verbleibt, und zwar zu Beginn jedes Halbzyklus, d. h. während die Kapazität C1 mit der Spannung aufgeladen wird, bei der die Zweiweg-Thyristordiode DR durchleitet. Die unterbrochene Wechselspannung liegt dann über die Diodenbrücke BD an und wird dadurch gleichgerichtet.
Als ein Ergebnis dieser Unterbrechung wird der durchschnittliche Wert der Wechselspannung, die über der Diodenbrücke BD anliegt, reduziert. Die durchschnittliche Wechselspannung ist angegeben mit:
wobei V_ave das durchschnittliche Wechselspannungsniveau, V0 die Spitzenwechselspannung und a der Kontrollwinkel der Unterbrechung ist.
Die gleichgerichtete Spannung von der Diodenbrücke 40 wird geglättet durch die Glättungskapazität C2. Unter Vernachlässigung des Spannungsabfalls über die Dioden der Diodenbrücke BD ist die geglättete Gleichspannung gleich V_ave.
Die Gleichspannung wird an den Antriebsschaltkreis 50 angelegt und die Schaltelemente Q1 bis Q6 werden in Antwort auf die Rotorpositionssignale für jede Phase geschaltet, die an die passenden Gates der Schaltelemente Q1 bis Q6 angelegt werden, wodurch die Gleichspannung an jede der Phasenspulen 52, 54 und 56 in der Reihenfolge A, B, C angelegt wird.
Die Wellenform der Spannungen und Ströme, die an jede Spule jeder Phase angelegt werden, ist in der 10 gezeigt. Die Spulen 52, 54 und 56 erzeugen magnetische Kräfte einer Intensität, die proportional zu dem hindurch fließenden Strom ist. Diese magnetische Kraft zieht die benachbarten magnetischen Pole des Rotors (siehe 1) an und bewirkt, dass der Rotor sich dreht. Die Drehzahl des Rotors hängt von der Intensität der magnetischen Kraft ab, die an den Spulen 52, 54, 56 erzeugt wird.

Claims

Steuerkreis für einen geschalteten Reluktanzmotor, mit einem Schaltkreis (50), der vorgesehen ist, um wahlweise Ströme durch die Statorspulen eines geschalteten Reluktanzmotors in Abhängigkeit von der Position des Rotors des angetriebenen Motors zu leiten, gekennzeichnet durch eine Stromversorgungseinrichtung (20, 30, 40) zum Anlegen einer variablen Gleichstromspannung an den Schaltabschnitt, um so die Stärke der Ströme zu variieren und um so die Drehzahl des Motors zu kontrollieren, der von dem Kreis angetrieben ist.
Steuerkreis nach Anspruch 1, wobei die Stromversorgungseinrichtung einen Wechselstromeingang, einen Gleichrichter (40) und Schaltmittel (20, 30) aufweist, um die Proportion eines Wechselstromsignals zu justieren, welches an den Wechselstromeingang angelegt ist, der dem Gleichrichter zugeführt wird.
Steuerkreis nach Anspruch 2, wobei die Schaltmittel eine Spule (L1), variable Widerstände (R1, R2, VR) und eine Kapazität (C1) aufweisen, die in Reihe über den Wechselstromeingang geschaltet sind, und eine Zweiweg-Thyristortriode aufweisen, die in Reihe mit dem Gleichrichter und dem Wechselstromeingang geschaltet ist, und eine Zweiweg-Thyristordiode aufweisen, die zwischen einem Anschluß der Kapazität und dem Gate der Zweiweg-Thyristortriode angeschlossen ist, so dass die Zweiweg-Thyristordiode durchleitet, wenn die Kapazität auf einen bestimmtes Niveau aufgeladen ist.
Steuerkreis nach einem der vorherigen Ansprüche, umfassend einen Rotorpositionssensor zum Erfassen der Rotorposition des geschalteten Reluktanzmotors, wobei der Schaltkreis eine Mehrzahl von Schaltelementen (Q1, ..., Q6) umfasst und jedes Schaltelement durch ein zugehöriges Kontrollsignal kontrolliert wird, welches einzig von der erfassten Rotorposition abhängig ist.
Steuerkreis nach Anspruch 4, wobei die Schaltelemente in Paaren arrangiert sind und wobei jedes Paar derart angeordnet ist, dass eine Statorspule des geschalteten Reluktanzmotors in Reihe dazwischen geschaltet ist.