DE69828549T2

DE69828549T2 - Anlaufen eines Einphasenmotors

Info

Publication number: DE69828549T2
Application number: DE69828549T
Authority: DE
Inventors: Peter Richard Mayes; James Christopher Rudd Smart
Original assignee: Switched Reluctance Drives Ltd
Current assignee: Nidec SR Drives Ltd
Priority date: 1997-07-18
Filing date: 1998-06-24
Publication date: 2006-05-04
Anticipated expiration: 2018-06-25
Also published as: DE69828549D1; US6091170A; EP0892490A1; GB9715248D0; CN1084077C; CN1206239A; EP0892490B1; TW416180B

Description

Diese Erfindung betrifft einphasige, elektronisch kommutierte elektrische Maschinen. Die Erfindung ist insbesondere, obwohl nicht ausschließlich, auf einphasige geschaltete Reluktanzmotoren anwendbar.
Geschaltete Reluktanzmaschinen weisen normalerweise einen Stator mit Schenkelstatorpolen und Statorwicklungen zum Erregen der Statorpole sowie einen Rotor mit Schenkelrotorpolen auf. Der Rotor ist in Lagern gelagert, um zu ermöglichen, dass er sich koaxial zu dem Stator dreht. Die Bewegung des Rotors wird durch die Statorpole entsprechend der Erregung der Statorwicklungen beeinflusst. Die Theorie und die Konstruktion solcher Maschinen ist beispielsweise in dem Dokument "The Characteristics, Design and Applications of Switched Reluctance Motors and Drives" von Stephenson und Blake gut dokumentiert, das anlässlich der PCIM '93 Konferenz und Ausstellung in Nürnberg, Deutschland, 21–24 Juni 1993 veröffentlicht wurde.
Geschaltete Reluktanzmaschinen können, wie auch andere Typen von elektrischen Maschinen, einen, zwei oder mehr unabhängige Schaltkreise haben, die als Phasen bekannt sind. Diese sind in dem obigen Dokument diskutiert. Obwohl jede Anzahl an Phasen mit einer Vielzahl von verschiedenen Vorteilen in Beziehung steht, ist es allgemein akzeptiert, dass das einphasige System für Niederleistungs-Antriebssysteme besonders kostengünstig ist. Ein Beispiel von einer einphasigen Maschine ist in 1 dargestellt. Der Stator S und der Rotor R der Maschine in 1 haben jeweils zwei Schenkelpole, wobei beide Statorpole eine um diese herum gewickelte Erregerspule C aufweisen. Die beiden Spulen sind miteinander verbunden, um die Phasenwicklung zu bilden. Dieses Beispiel zeigt jeweils zwei Pole an dem Stator und an dem Rotor, es kann aber auch eine andere Anzahl von Polen verwendet werden. Außerdem zeigt dieses Beispiel, dass sich der Rotor innerhalb der Bohrung des Stators dreht, obwohl Anordnungen bekannt sind, bei denen sich der Rotor um die Außenseite des Stators herum dreht (bekannt als "invertierte" Maschinen).
2 zeigt die statische Drehmomentkurve der Maschine, d.h. das Drehmoment T, das erzeugt wird, wenn ein beliebiger, konstanter Erregungsstrom auf die Phasenwicklung angewendet wird, und zwar als eine Funktion des Rotationswinkels θ des Rotors. Eine solche Kurve ist für Doppelschenkelmotoren charakteristisch und kann berechnet oder gemessen werden.
Die Maschinensteuerung umfasst die "Chopping"-Betriebsart der Motordrehmomentregelung bei geringer Drehzahl. Das Drehmoment wird gesteuert, indem verhindert wird, dass der Wicklungsstrom über einen maximalen Pegel ansteigt, indem er während der konduktiven Phasenperiode wiederholt unterbrochen wird. Bei höheren Drehzahlen sind die Anstiegs- und Abfallzeiten für den Strom so, dass der Strom während jeder konduktiven Phasenperiode nur einmal ein- und ausgeschaltet und in seinem normalen Betrieb nicht zerhackt (chopped) wird. Das Drehmoment wird über die Schaltwinkel gesteuert, d.h. die Winkelpositionen, bei denen an die Phasenwicklung Spannung angelegt und umgekehrt wird. Dies ist die sogenannte "Einzel-Impuls-Betriebsart". Sowohl die Chopping- als auch die Einzel-Impuls-Betriebsarten sind in dem Dokument von Stephenson und Blake diskutiert, das oben angeführt ist.
Solche Maschinen sind normalerweise "Rotor-Positionsgeschaltet", d.h., die Spannung wird an die Phasenwicklung entsprechend der Winkelposition des Rotors angelegt und umgekehrt. Die Rotorposition wird entweder durch einen physikalischen Messwandler, der die Rotorwellenposition misst, oder durch Algorithmen bestimmt, die die Position aus anderen Variablen der Maschine ableiten, wie zum Beispiel Strom oder Fluss. Bei preiswerten Antrieben werden normalerweise einfache Positionsmesswandler verwendet, die normalerweise eine optische Vorrichtung oder eine Hall-Effekt-Vorrichtung beinhalten, die an dem Stator befestigt ist und als Sensor dient, um die Nähe von einem kastellierten Flügelrad oder einer Magnetanordnung zu erfassen, die an der Rotorwelle montiert ist. Das Flügelrad hat üblicherweise die gleiche Anzahl an Kastellationen wie der Rotor Pole hat, obwohl auch andere Anordnungen möglich sind.
Bei bekannten Anordnungen von Messwandlern wird normalerweise ein einziger Sensor für ein- und zweiphasige Systeme verwendet; zwei Sensoren für ein vierphasiges System und drei Sensoren für ein dreiphasiges System. Bei einem einphasigen System mit einem Sensor wird eine einfache Logik benutzt, um den Ausgang des Sensors zu dekodieren, um die Rotorpositionsinformation in einer Rotorpolteilung bereitzustellen. In der Maschine aus 1 kann der Sensor normalerweise so positioniert sein, um anzugeben, wann sich die Rotorpole in vollständiger Ausrichtung mit den Statorpolen befinden (d.h. die Rotorposition, die gezeigt und allgemein als L_max bezeichnet ist, da die Phasenwicklung in dieser Rotorposition eine maximale Induktanz hat). Unter der Annahme, dass das Flügelrad ein einheitliches Tastverhältnis hat, kann der Sensor außerdem die um 90° versetzte Position anzeigen (allgemein bekannt als L_min, da die Phasenwicklung in dieser Position eine minimale Induktanz hat); d.h. wobei sich die Rotorpole mittig zwischen den Statorpolen befinden.
Ein positives Drehmoment ist hier als das Antreiben des Motors in der nach vorne gerichteten Richtung im Uhrzeigersinn definiert, so dass der Rotationswinkel θ in 2 positiv ansteigt. Unter Bezugnahme auf 2 ist offensichtlich, dass der Motor aus dem Stillstand in die nach vorne gerichtete Richtung nur dann startet, wenn der Motor eine Position hat, die einem Gebiet mit positivem Drehmoment entspricht, d.h. in dem Gebiet zwischen Punkten 2 und 4 in 2. Wenn andererseits die Phasenwicklung erregt wird, wenn sich der Rotor in einem Gebiet befindet, das einem negativen Drehmoment entspricht, d.h. zwischen den Punkten 5 und 6, dann bewegt sich der Rotor in der umgekehrten Richtung. Wenn die Phasenwicklung in einem Gebiet mit einem Drehmoment von im Wesentlichen Null erregt wird, d.h. zumindest zwischen den Punkten 1 und 2 oder zwischen den Punkten 4 und 5, dann kann der Motor nicht starten.
Um dieses Problem der Unzuverlässigkeit beim Starten zu überwinden, sind zahlreiche Verfahren bekannt, um den Rotor vor dem Erregen der Phasenwicklung in der korrekten Winkelposition bezüglich des Stators zu positionieren, um dadurch sicherzustellen, dass der Motor startet und sich in der gewünschten Richtung dreht. Ein solches System ist beispielsweise in der US 3,932,069 oder in der GB 2305022 A offenbart, die die Verwendung sogenannter "Park"-Magnete offenbaren, die allgemein an dem Stator montiert sind und auf den Rotor wirken, um ihn in Ruhestellung in einer bevorzugten Startposition zu halten. Eine solche Position befindet sich normalerweise in der Nähe von Punkt 3 in 2, wo sich das Drehmoment bei oder nahe einem maximalen Wert befindet.
Es gibt eine Eigenschaft von Park-Magneten, die häufig auftritt, wenn der Antrieb betrieben wurde und abgeschaltet ist. Die Drehzahl des Rotors verlangsamt sich bis die Drehzahl klein genug ist, dass die Magnete den Rotor "greifen" und eine weitere vorwärts gerichtete Bewegung verhindern. Der Rotor oszilliert dann um seine endgültige Ruheposition, wobei die Amplitude der Oszillationen allmählich abnimmt, da die kinetische Energie in dem Rotor durch Reibung und Verluste durch Wirbelströme vermindert wird, die durch das Magnetfeld in den Stator und in dem Rotor induziert werden. Dieser Vorgang des Abbremsens und des Oszillierens kann einige Zeit andauern, und zwar insbesondere dann, wenn sich das Lastdrehmoment mit sich vermindernder Drehzahl verringert und die Reibung in dem System gering ist.
Diese Charakteristik kann beim Betrieb des Antriebs zu Problemen führen. Wenn beispielsweise der Antrieb ausgeschaltet wird und ein Versuch unternommen wird, ihn kurz darauf wieder zu starten, kann sich der Rotor noch in einem oszillierenden Zustand befinden, wenn das RPT-Signal angibt, dass sich der Rotor in einer geeigneten Position befindet, um die Wicklungen erneut zu erregen. Unter diesen Bedingungen kann die Wicklung erregt werden, wenn der Rotor über sein Gebiet des maximal entwickelten Drehmoments hinaus in Richtung des Gebiets mit einem Drehmoment von nahezu Null geschwungen ist, (z.B. von Punkt 3 in 2 in Richtung auf Punkt 4). An dieser Stelle ist das Drehmoment von dem Park-Magnet dem (relativ kleinen) Hauptdrehmoment entgegengerichtet, und der Rotor kann in dieser Position verbleiben, wodurch ein Starten verhindert wird.
Bei einigen bekannten Systemen ist der Sensor so positioniert, dass er Signalübergänge erzeugt, bevor der Rotor die ausgerichtete Position erreicht. Dies erfolgt aus Gründen, die mit dem besseren Betrieb bei hohen Drehzahlen in Beziehung stehen. Daraus folgt, dass bei geringen Drehzahlen oder bei Stillstand, wenn eine Erregung der Phasenwicklung direkt auf die Kanten von dem Sensor-Impulszug gelenkt wird, bei diesen Systemen eine Erregung der Wicklung in einem Gebiet erfolgen kann, wo das negative Drehmoment ausreichend ist, um den Rotor in eine Rotation in die entgegengesetzte Richtung zu versetzen. Um diese und andere Probleme zu lösen, ist es möglich, einfach so lange zu warten, bis die Oszillationen beendet sind und sich der Rotor in einer gewünschten Startposition befindet, wobei dies für einen Benutzer nicht akzeptierbar sein kann, der einen schnellen Neustart fordert.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Rotorpositionsmesswandler zur Verfügung zu stellen, mit Hilfe dessen ein zuverlässigeres Starten von elektrischen Maschinen ermöglicht wird, insbesondere von einphasigen geschalteten Reluktanzmotoren, als dies bisher möglich war.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, einen Rotorpositionsmesswandler für eine elektrische Maschine zur Verfügung zu stellen, mit Hilfe dessen ein schnellerer Neustart ermöglicht wird.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist eine einphasige elektrische Maschine vorgesehen, die einen Stator, durch den Statorpole definiert sind, eine einphasige Wicklung zum Erregen von einem oder von mehreren der Pole, einen Rotor, durch den Rotorpole definiert sind, und einen Rotorpositionsmesswandler aufweist, der ein Bauteil, das dazu ausgestaltet ist, um sich mit dem Rotor zu drehen, Einrichtungen zum Aufbringen einer magnetischen Kraft auf den Rotor, die dazu ausgestaltet sind, um den Rotor relativ zu dem Stator in eine Drehmomentposition von ungleich Null zu zwingen, wenn sich der Rotor im Ruhezustand befindet, einen ersten Sensor, der dazu ausgestaltet ist, um durch die Bewegung des Bauteils beeinflusst zu werden, um erste Signale zu erzeugen, durch die die Positionen des Rotors relativ zu dem Stator bei einem Drehmoment von im Wesentlichen Null angegeben werden, und einen zweiten Sensor beinhaltet, der dazu ausgestaltet ist, um durch das Bauteil beeinflusst zu werden, um zweite Signale zu erzeugen, durch die Winkelpositionen vor den ersten Signalen angegeben werden, wobei Intervalle zwischen den ersten Signalen und den zweiten Signalen verschiedene Gebiete der Drehmomenterzeugung angeben.
Die Erfindung umfasst das Hinzufügen eines zweiten Sensors zu dem herkömmlichen Rotorpositionsmesswandler für eine einphasige Maschine, wobei der Sensor in einer solchen Weise angeordnet ist, um zusätzliche Informationen bezüglich der Position des Rotors zu liefern. Dadurch wird es dem Steuerungssystem der Maschine ermöglicht, zu bestimmen, wann die Wicklungen erregt werden müssen, wodurch ein zuverlässiges Starten bewirkt wird, und wann die Phasenwicklungen nicht erregt werden sollen, wodurch eine Rotation in die falsche Richtung verhindert wird. Der zweite Sensor kann auch als ein Zeitsensor für den Betrieb der Maschine bei hohen Drehzahlen verwendet werden.
Außerdem ist gemäß der vorliegenden Erfindung ein System vorgesehen, das eine Maschine, wie sie vorstehend definiert ist, eine Steuerung und eine Schaltanordnung beinhaltet, die funktional angeschlossen ist, um von der Steuerung betätigt zu werden, um die Phasenwicklung zu erregen, wobei die Steuerung auf die ersten und zweiten Signale anspricht, um die zeitliche Abstimmung des Startvorgangs entsprechend dieser Intervalle zu bestimmen, um die Schaltanordnung zu betätigen, wodurch ermöglicht wird, dass die Maschine zuverlässig gestartet wird.
Die Erfindung erstreckt sich außerdem auf ein Verfahren zum Starten einer einphasigen Maschine, wie sie vorstehend beschrieben ist, mit dem Überwachen der ersten und zweiten Signale; und dem Erregen der Phasenwicklung in einem Intervall zwischen einem von den ersten und einem von den zweiten Signalen, um den Rotor in eine gewünschte Richtung zu drehen.
Gemäß der Erfindung ist außerdem ein Verfahren zur Steuerung eines Systems vorgesehen, wie es vorstehend beschrieben ist, mit dem Auswählen von einem von den ersten oder zweiten Signalen für eine zeitlich gesteuerte Erregung der Phasenwicklung nach dem Starten.
Es gibt mehrere Möglichkeiten, um die Erfindung in die Praxis umzusetzen, wobei einige von diesen anhand von Beispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben werden, in denen:
1 eine Querschnittsansicht von einer bekannten einphasigen geschalteten Reluktanzmaschine ist;
2 ein Diagramm des statischen Drehmoments für die Maschine aus 1 ist;
3 eine schematische Darstellung von der Position der Sensoren relativ zu dem Stator eines Motors gemäß der Erfindung ist;
4 eine schematische Darstellung ist, die ein Motorsystem gemäß der Erfindung zeigt;
5 eine Darstellung von den Ausgängen der Positionssensoren aus 3 ist;
6 eine Maschine und ein Steuerungssystem gemäß der Erfindung zeigt;
7 eine schematische Darstellung von einem Verzögerungssteuerungssystem ist, das die Erfindung beinhaltet; und
8 eine zeitliche Darstellung für die Verzögerungssteuerung ist, bei der das System aus 7 verwendet wird.
3 zeigt die Anordnung von einem Rotorpositionsmesswandler (RPT) an einem Reluktanzmotor gemäß der Erfindung. 4 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung mit der Struktur aus 3, die einen geschalteten Reluktanzmaschinenantrieb beinhaltet. Der Antrieb weist eine Reluktanzmaschine mit einem Stator 10 und einem Rotor 12 auf. Spulen 14 sind an jedem von einem Paar von gegenüberliegenden Statorpolen 16 montiert und angeschlossen, um eine Phasenwicklung zu bilden. Der Rotor 12 definiert gegenüberliegende Rotorpole 15. Ein Park-Magnet 17 ist an dem Stator montiert, wie in 3 gezeigt. Bei Stillstand und unter der Annahme einer ausreichend geringen Last an den Motor, zieht der Park-Magnet den Rotor so an, dass er in einer Startposition mit einem Drehmoment von ungleich Null befindet. Aus Gründen der Klarheit sind diese Komponenten in dem Motor aus 3 lediglich teilweise dargestellt. Für dieses darstellende Ausführungsbeispiel haben sie die gleiche Struktur wie die einphasige Maschine aus 1 mit der Ergänzung des Park-Magneten 17. Wie in 1 kann die Anzahl der Pole an dem Rotor und/oder an dem Stator von der dargestellten Anzahl abweichen.
Ein RPT 18 beinhaltet ein Flügelrad 20, das montiert ist, um sich mit dem Rotor 12 an einer Welle 22 zu drehen. Ein erster und ein zweiter Positionssensor 24 und 26 sind dazu ausgestaltet, um durch den Durchgang der Sektoren 28 des Flügelrades 20 beeinflusst zu werden.
Der RPT 18 hat, im Gegensatz zu bekannten RPT's für einphasige, elektronisch kommutierte Maschinen, zwei Positionssensoren 24 und 26, die mit dem Flügelrad 18 zusammenwirken. In diesem Beispiel ist das Flügelrad aus Aluminium oder aus anderen geeigneten Material hergestellt, das für infrarotes Licht opaque ist, auf das die Sensoren ansprechen. Auch in diesem Beispiel sind die Sensoren optische Schalter, Teil Nr. HOA 0825, hergestellt von Honeywell Inc. aus Freeport, Illinois, USA. Es soll vom Fachmann verstanden werden, dass andere Typen von Sensoren in Verbindung mit einem geeigneten Flügelrad verwendet werden können, wie zum Beispiel Hall-Effekt-Sensoren oder kapazitive Sensoren.
Die Position von einer Kante 30 von jedem der Sektoren 28 des Flügelrades 20 relativ zu einem zugehörigen Rotorpol und die Position von dem ersten Sensor 24 relativ zu dem Statorpol 16 sind so, dass der erste Sensor 24 die Winkelübereinstimmung der Mittellinie von jenem Rotorpol 15 mit der Mittellinie 32 von dem Statorpol 16 angibt (d.h. die Position von L_max). Die Sektoren 28 an dem Flügelrad haben ein einheitliches Tastverhältnis bezüglich der zwischenliegenden Freiräume. Während des Durchgangs von einem Freiraum über einen Sensor ist der Sensorausgang hoch. Daher gibt der erste Sensor außerdem den Durchgang der Mittellinie von dem Zwischenpolraum des Rotors 12 über die Mittellinie 32 des Statorpols 16 an (d.h. die Position von L_min). Der Ausgang von dem ersten Sensor 24 ist in 5 als eine Funktion des Rotorwinkels für den Rotor in 3 gezeigt, der sich in Uhrzeigerrichtung dreht. Es wird gesehen, dass der Ausgang von dem ersten Sensor ein einheitliches Tastverhältnissignal ist, das Übergänge hat, die mit den Punkten von minimaler und maximaler Induktanz zusammenfallen, und zwar entsprechend der Position des ersten Sensors relativ zu dem Flügelrad 20.
Der zweite Sensor ist angeordnet, um mit jedem Sektor 28 in einer Position zusammenzuwirken, die mit einem Winkel X bezüglich des ersten Sensors 24 in 3 verlagert ist. In diesem Beispiel beträgt der Winkel X gleich 30°. Allgemein ausgedrückt muss der Winkel etwa 0,17 der Rotorpolteilung betragen, obwohl Werte zwischen 0,10 und 0,20 allgemein akzeptabel sind. Der Ausgang von dem zweiten Sensor 26 ist ebenfalls in 5 gezeigt. Der Ausgang von dem zweiten Sensor ist im Wesentlichen gleich dem des ersten Sensors, läuft aber in dem Rotorzyklus um 30° voraus.
Es ist für den Fachmann offensichtlich, dass der Sensor und das Flügelrad bezüglich des Stators und der Rotorpole verschoben sein können, ohne dass die Eigenschaften der von dem RPT abgeleiteten Informationen verändert werden. Mit anderen Worten, durch Verschieben von sowohl dem Flügelrad als auch den Sensoren um den gleichen Winkelbetrag werden die Sensoren die gleichen Positionen des Rotors angeben, wenn sich dieser dreht. Es ist manchmal erforderlich, die Sensoren und das Flügelrad in dieser Weise zu verschieben, und zwar auf Grund von Raumerfordernissen oder aus Gründen einer besseren mechanischen Befestigung.
In dem in 4 gezeigten Ausführungsbeispiel steuert eine Motorsteuerung 36 die Betätigung von einer herkömmlichen Schaltanordnung 38 zum Erregen der Phasenwicklungen in Reaktion auf eine Eingangsgeschwindigkeit oder Drehmomentanforderung. Durch die Bewegung des Flügelrades über die Sensoren 24 und 26 werden zwei Ausgänge erzeugt, die von der Steuerung 36 dekodiert werden, um die Maschine zu starten und die Schalter in Reaktion darauf zu betätigen.
Eine Weg, um von den zusätzlichen Informationen Gebrauch zu machen, die durch das Vorhandensein des zweiten Sensors 26 zur Verfügung gestellt werden, besteht darin, die beiden Ausgänge logisch zu kombinieren und es der Steuerung 36 zu ermöglichen, die Erregung der Phasenwicklung nur dann durchzuführen, wenn die Ausgänge des ersten und zweiten Sensors beide hoch sind, d.h. in dem Gebiet P aus 5. Dadurch wird eine Erregung in der Nähe der L_max-Position verhindert, wobei in 2 gesehen werden kann, dass das Drehmoment niedrig ist und eine unzureichende Energie auf den Rotor aufgebracht wird, um ihm zu ermöglichen, das haltende Drehmoment von dem Park-Magnet 17 zu überwinden. Durch dieses Erregungsschema wird die Zuverlässigkeit des Start-Vorgangs verbessert. Dies kann einfach durch Zuführen der Ausgänge von den Sensoren 24/26 zu der Steuerung 36 für den geschalteten Reluktanzmotor und durch Verwendung einer kombinatorischen Logik implementiert werden, um zu ermöglichen, dass Steuersignale für die Phasenerregung nur bei dem gewünschten Rotorwinkel verfügbar sind, d.h. in dem Gebiet P aus 5. Es ist aus 5 offensichtlich, dass das Startgebiet P durch beide der digitalen Ausgänge von den Sensoren 24 und 26 bestimmt wird, die hoch oder "1" sind.
Bei einer Modifikation der Erfindung wird von den zusätzlichen Informationen Gebrauch gemacht, die von dem zweiten Sensor 26 zur Verfügung gestellt werden, indem nicht nur die zusätzlichen Positionsinformationen verwendet werden, sondern auch die Richtungsinformationen, die aus der Sequenz des Auftretens von ansteigenden oder abfallenden Kanten der beiden Ausgänge von den Sensoren 24 und 26 abgeleitet werden können. Wenn ein Befehl zum Starten des Antriebs von der Steuerung 36 erhalten wird, dann kann unmittelbar bestimmt werden, ob sich der Rotor in einem der vier Gebiete P, Q, R oder S befindet, und zwar aus dem Ausgang der beiden Sensoren. Die Steuerung 36 wartet auf den Empfang von Informationen, ob sich der Rotor in ein anderes Gebiet bewegt. Wenn beispielsweise das Gebiet R von dem Gebiet Q gefolgt wird, dann bewegt sich der Rotor in Gegenuhrzeiger richtung, und es wird keine Aktion durchgeführt. Der Überwachungsprozess geht weiter, bis bekannt ist, dass sich der Rotor in Uhrzeigerrichtung entweder in dem Gebiet P oder Q bewegt. Die Phasenwicklung wird dann auf herkömmliche Weise erregt, und der Motor startet und läuft dann hoch, und zwar unter Verwendung herkömmlicher Erregungsmuster, wie dies in der Technik bekannt ist.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel, das in 6 gezeigt ist, ist ein Zeitgeber 40 vorgesehen. Normalerweise bildet der Zeitgeber einen Teil der Steuerung 36, obwohl er aus Gründen der Klarheit in 6 als eine separate Einheit gezeigt ist.
Der Zeitgeber 40 ist dazu ausgestaltet, um die Ausgänge der beiden Sensoren 24 und 26 zu empfangen. Aus den empfangenen Ausgängen bestimmt der Zeitgeber 40 die Bewegung des Rotors von einem Gebiet in das andere, nachdem ein Befehl zum Einschalten empfangen wurde. Der Zweck des Zeitgebers 40 besteht darin, zu bestimmen, wann der Rotor 12 wirksam zum Stehen gekommen ist, wobei in diesem Fall der Zeitgeber einen vordefinierten Time-Out-Zählerstand erreicht, ohne durch eine Veränderung an einem der Ausgänge von den Sensoren 24 und 26 zurückgesetzt zu werden. Dies kann durchgeführt werden, um anzugeben, dass die Oszillationen beendet sind und der Antrieb unter Verwendung von irgendeinem geeigneten Verfahren zum Starten aus dem Ruhezustand neu gestartet werden kann.
Wegen der Nicht-Linearität des durch die Park-Magnete auf den Rotor aufgebrachten Drehmoments variieren sowohl die Amplitude als auch die Frequenz der Oszillationen während der Einstellperiode. Es wurde jedoch herausgefunden, dass ein vorbestimmter Time-Out-Wert von etwa 200 msec für kleine Antriebe geeignet ist, die eine Leistung von bis zu etwa 1 kW haben. Größere Antriebe können eine beträchtliche Erhöhung bezüglich des Time-Out-Wertes erforderlich machen. Obwohl bei diesem Verfahren theoretisch irgendeinen Abstand zwischen den Sensoren verwendet werden kann, wurde herausgefunden, dass eine Einstellung von dem Übergangspunkt des zweiten Sensors etwa in der Halte- oder Ruhestandsposition des geparkten Rotors unter dem Einfluss des Start-Magneten bevorzugt ist. Dies ist der Fall, da Informationen, die von den beiden Sensoren an der Position des Rotors zur Verfügung gestellt werden, für die Rotorbewegung nahe dem Erregungspunkt am dichtesten sind.
Wenn die Start-Routine beginnt, kann der Zeitgeber 40 zurückgesetzt und verwendet werden, um die nachfolgende Start-Routine zu überwachen. Wenn die Positionsinformationen von dem ersten und dem zweiten Sensor nicht angeben, dass sich der Rotor durch beispielsweise zwei der Gebiete P, Q, R und S in einer vordefinierten Anfangsperiode bewegt hat, dann wird die Start-Routine abgebrochen und es dem Antrieb ermöglicht, den Ruhezustand einzunehmen, bevor ein erneuter Versuch zum Neustarten durchgeführt wird. Eine geeignete Anfangsperiode kann für einen kleinen Antrieb in der Größenordnung von 400 msec liegen.
Das Vorhandensein des zusätzlichen zweiten Sensors 26 in dem RPT 18 kann ebenfalls verwendet werden, wenn der Antrieb seine Betriebsgeschwindigkeit erreicht hat. Die EP-A-0692865 (Turner) offenbart ein Verfahren zum Erzeugen von Steuerwinkeln für eine geschaltete Reluktanzmaschine, wodurch der Einschaltwinkel durch zeitliche Steuerung einer Verzögerungs periode aus einer ansteigenden oder abfallenden Kante von einem RPT-Signal bestimmt wird.
Unter Bezugnahme auf 7 beinhaltet eine Steuerung für einen geschalteten Reluktanzmotor einen Komparator 120, der dazu ausgestaltet ist, um einen ersten Eingang 122 zu empfangen. Dies ist ein Signal, das proportional zu dem Phasenwicklungsstrom in dem Motor ist. Ein typischer Komparator für diese Anwendung ist ein LN339, hergestellt von National Semiconductor, mit oder ohne zusätzliche Hysterese-Komponenten.
Ein zweiter Eingang 124 entspricht einem vorbestimmten oder einstellbaren maximalen Stromreferenzsignal. In dem Fall von einem feststehenden Wert der Stromreferenz kann ein einfacherer Komparator verwendet werden, wie zum Beispiel ein geeignet vorgespannter Transistor. In diesem Ausführungsbeispiel, mit dem vereinfachten Komparator, ist das Referenzsignal für einen bestimmten Motor so gewählt, um einem Strompegel zu entsprechen, der oberhalb des Spitzenstromwertes liegt, von dem erwartet wird, dass er in der Einzel-Impuls-Betriebsart auftritt. Dies ermöglicht einen automatischen Übergang zwischen den Chopping- und Einzel-Impuls-Betriebsarten, wie nachfolgend beschrieben wird.
Ein Ausgang 126 von dem Komparator 120 triggert einen monostabilen Multivibrator 128, der einen Impulsausgang mit fester Zeitdauer bei einem logischen Pegel von "0" hat, was einem Ausschaltsignal entspricht, der mit dem Eingang von einem UND-Gate 130 mit zwei Eingängen verbunden ist. Der andere Eingang von dem UND-Gate 130 ist der Ausgang 132 von einer Zeitgeber- und Verzögerungsschaltung 134. Ein erster Eingang 136 zu der Zeitgeber- und Verzögerungsschaltung 134 ist der Ausgang von dem Rotorpositionsmesswandler 135. Dieser RPT 135 ist ein Messwandler gemäß der vorliegenden Erfindung.
Es kann gesehen werden, dass der RPT ein Flügelrad mit vier Sektoren 137 aufweist, die digitale Ausgänge von dem ersten und dem zweiten Sensor 24 und 26 mit gleichmäßigem Tastverhältnis erzeugen. Die vier Sektoren 137 geben an, dass es an einem vierpoligen Rotor von einer einphasigen Maschine angebracht ist. Der zweite Sensor 26 ist von dem ersten Sensor 24 mit zwischen 0,1 und 0,2 der Rotorpolteilung beabstandet, d.h. 9°–18°. In diesem Ausführungsbeispiel beträgt die Rotorpolteilung 90°. Die Ausgänge der Sensoren 24 und 26 werden beim Starten verwendet, wie vorstehend erläutert, und zwar durch die Steuerung. Nach dem Starten muss lediglich der Ausgang von einem von dem ersten oder dem zweiten Sensor 24/26 verwendet, um den Motor zu steuern. Der Ausgang von den RPT-Sensoren 24 und 26 hat eine mehr oder weniger rechteckige Form oder andere Wellenform, die Übergänge an der feststehenden Rotorposition bezüglich des Stators zur Verfügung stellt, wie vorstehend erläutert. Das Starten des Motors wird erreicht, wie vorstehend beschrieben, und zwar unter Verwendung der Steuerung 36.
Ein weiterer Eingang 138 zu der Zeitgeber- und Verzögerungsschaltung 134 ist ein Zeitverzögerungssteuersignal, das die Verzögerung einstellt, die angewendet wird, bevor dem UND-Gate 130 ein Einschaltsignal zugeführt wird. Obwohl ein UND-Gate gezeigt ist, ist offensichtlich, dass andere Gate-Anordnungen mit der gleichen Wirkung verwendet werden können.
Die Betriebsgeschwindigkeit des Motors kann durch manuelle Einstellung der durch den Zeitgeber- und Verzögerungsausgang 132 eingeleiteten Verzögerung eingestellt werden, die wiederum durch das Signal 138 oder in Reaktion auf ein Signal von dem gesamten Steuerungssystem gesteuert wird, das auch die Zeitverzögerung einstellt. Alternativ kann der Ausgang 132 feststehend sein. Die Verzögerungsstrategie wird nachfolgend diskutiert.
Bei einer Chopping-Betriebsart mit geringer Drehzahl erzeugt der Komparator 120 seinen Ausgang, wenn der Wicklungsstrom das vorbestimmte maximale Stromreferenzsignal 124 übersteigt, wobei das Referenzsignal 124 für einen bestimmten Motor eingestellt ist, mit dem die Steuerung verbunden ist. Wie vorstehend erläutert, kann dieser äquivalent zu einem Wicklungsstrom sein, der über dem Strom liegt, der in der Einzel-Impuls-Betriebsart erwartet wird, in der der fragliche Motor arbeiten soll. Normalerweise ist der maximale Stromreferenzpegel bezüglich der Leistungsdaten der Halbleiterschalter in den Wandlerschaltkreisen und den thermischen Leistungsdaten des Motors gewählt. Das maximale Stromreferenzsignal kann von dem Benutzer eingestellt werden, und zwar innerhalb der Strom-Leistungsdaten der Schalter, so dass eine bestimmte Steuerung für einen bestimmten Motor oder als eine Maßnahme der Drehzahl- und Drehmomenteinstellung eingestellt werden kann, während der Motor läuft.
Bei niedrigen Drehzahlen ist in einer konduktiven Phasenperiode ausreichend Zeit vorhanden, damit der Wicklungsstrom über den maximalen Stromreferenzpegel ansteigt. Der Ausgang von dem Komparator, der erzeugt wird, wenn die maximale Stromreferenz überschritten wird, triggert den mono stabilen Multivibrator 128, der einen Impuls mit fester Dauer mit Logikpegel "0" erzeugt, was ein Wicklungsstromschaltverhinderungssignal (Ausschalten) ist.
Dieser Ausgang der logischen "0" erzeugt einen Ausgang mit einer logischen "0" (Ausschalten) von dem UND-Gate 130, so dass die Schalt-Schaltung, der mit der Phasenwicklung in Beziehung steht, für zumindest die Dauer des niedrigen Impulses geöffnet wird, d.h. um zu ermöglichen, dass der Wicklungsstrom unter den maximalen Stromreferenzpegel fällt. Nach Beendigung des Impulses werden der Schalter bzw. die Schalter wieder geschlossen, und zwar abhängig von dem Zustand des Signals von der Zeitgeber- und Verzögerungsschaltung 134. Somit wird eine Chopping-Stromsteuerung über dem maximalen Stromreferenzpegel erreicht, wenn die Motordrehzahl niedrig ist.
Wenn die Motordrehzahl ansteigt, dann wird ein Punkt erreicht, bei dem der maximale Stromreferenzpegel in einem konduktiven Phasenzyklus nicht erreicht wird, so dass der Ausgang von dem monostabilen Multivibrator eine konstante logische "1" ist. Dadurch wird permanent ermöglicht, dass das UND-Gate 130 mit dem zeitlich gesteuerten Ausgang der Zeitgeber- und Verzögerungsschaltung 134 in Beziehung steht, der dann verwendet wird, um das Schalten des Stroms zu den Wicklungen zu steuern, d.h. für einen Betrieb in der Einzel-Impuls-Betriebsart. Die Motor-Drehzahl/Drehmoment ist dann durch Einstellung der Verzögerung steuerbar, bevor ein Einschalt-Signal durch die Zeitgeber- und Verzögerungsschaltung 134 erzeugt wird.
Zwei Verfahren zum Triggern der Zeitverzögerung sind graphisch in 8(a) und (b) dargestellt.
In 8(a) hat ein Ausgang von dem RPT eine hintere Kante N, die sowohl zum Ausschalten des Stroms in der Phasenwicklung als auch zum Starten der zeitlichen Verzögerung verwendet wird. Nach Ablauf der vorbestimmten Verzögerung wird der Strom wieder eingeschaltet, und der Zyklus wird wiederholt.
In 8(b) wird die Verzögerung durch die ansteigende Kante M von dem RPT-Signal eingeleitet. In jedem Fall kann die Zeitverzögerung des Ausschaltens eingestellt werden, um beispielsweise zu einem nahezu optimalen Konduktionswinkel bei einem gewünschten Vollleistungs-Betriebszustand zu führen, und zwar gemäß der Art und Weise der Steuerung des Motors, oder sie kann unter Verwendung der Verzögerungsschaltung variiert werden, um das Drehmoment und die Betriebsdrehzahl des Motors zu steuern.
Es sei angemerkt, dass obwohl das beschriebene System einfach zu implementieren und zu betreiben ist, die Positionierung von dem Ausschaltpunkt durch die abfallende Kante N des RPT-Ausgangs gesteuert wird. Obwohl es möglich ist, diese Kante durch mechanische Einstellung der Position des RPT-Flügelrades bezüglich der Rotorpole einzustellen, kann dies die Start-Leistungsfähigkeit der Maschine beeinflussen.
Es ist offensichtlich, dass die Hochgeschwindigkeitssteuerung von einem geschalteten Reluktanzmotor relativ einfach verbessert werden kann, und zwar durch Einbindung der vorliegenden Erfindung, da der zweite Sensor 26 weitere ansteigende und abfallende Kanten zur Verfügung stellt, wodurch eine größere Flexibilität bezüglich der Auswahl der verwendeten Kante gegeben wird, von der die Steuerungsverzögerung eingeleitet wird. Der Ausgang von dem ersten Sensor 24 hat eine hintere Kante, die mit der L_max-Position ausgerichtet ist, was ein geeigneter Ausschaltpunkt für jene Betriebsdrehzahlen direkt über dem Chopping-Betriebsart-Gebiet ist. Wenn die Drehzahl weiter ansteigt, ist es vorteilhaft, den Ausschaltpunkt vorzuverlegen. Die hintere Kante des Ausgangs von dem zweiten Sensor 26 erzeugt eine geeignete Kante. Durch eine geeignete Auswahl des Vorverlagerungswinkels des zweiten Sensors hinsichtlich des ersten Sensors kann daher eine Kante des zweiten Sensors angeordnet sein, um sich in einer Position zu befinden, die auch zum Antreiben der Maschine nach dem Starten bei höheren Drehzahlen verwendet werden kann. Daher kann die Maschine durch Verwendung von Informationen von den beiden Sensoren gestartet werden, wie vorstehend erläutert, bis auf eine Zwischengeschwindigkeit in der Chopping-Betriebsart hochlaufen, und zwar unter Verwendung der Informationen, die von dem ersten Sensor 24 abgeleitet werden, und danach in ihrem Hochgeschwindigkeits-Betriebsbereich unter Einzel-Impuls-Steuerung durch Verwendung der Informationen von dem zweiten Sensor 26 betrieben werden.
Obwohl vorstehend beschrieben wurde, dass die Erfindung bei einem geschalteten Reluktanzmotor angewendet wird, kann sie gleichermaßen bei irgendeiner elektronisch kommutierten Maschine angewendet werden, wobei die Maschine als eine Funktion der Rotorposition gesteuert wird.
Die obige Beschreibung der verschiedenen Ausführungsbeispiele erfolgte anhand von Beispielen und nicht aus Gründen der Beschränkung. Verschiedene Variationen bezüglich der hier offenbarten Ausführungsbeispiele können durchgeführt werden. Beispielsweise ist die Erfindung bei irgendeiner Form von Reluktanzmaschine anwendbar, und zwar unabhängig von der Anzahl der Pole, der Polform, des Drehzahlbereichs, etc. Es ist beabsichtigt, dass die Erfindung lediglich durch den Schutzbereich der nachfolgenden Patentansprüche begrenzt ist.

Claims

Einphasige elektrische Maschine, mit einem Stator (10), durch den Statorpole (16) definiert sind, einer einphasigen Wicklung (14) zum Erregen von einem oder von mehreren der Pole, einem Rotor (12), durch den Rotorpole (15) definiert sind, und einem Rotorpositionsmesswandler (18), der ein Bauteil (20), das dazu ausgestaltet ist, um sich mit dem Rotor zu drehen, Einrichtungen (17) zum Aufbringen einer magnetischen Kraft auf den Rotor, die dazu ausgestaltet sind, um den Rotor relativ zu dem Stator in eine Drehmomentposition von ungleich Null zu zwingen, wenn sich der Rotor im Ruhezustand befindet, einen ersten Sensor (24), der dazu ausgestaltet ist, um durch die Bewegung des Bauteils (20) beeinflusst zu werden, um erste Signale zu erzeugen, durch die die Positionen des Rotors relativ zu dem Stator bei einem Drehmoment von im Wesentlichen Null angegeben werden, und einen zweiten Sensor (26) aufweist, der dazu ausgestaltet ist, um durch das Bauteil (20) beeinflusst zu werden, um zweite Signale zu erzeugen, durch die Winkelpositionen vor den ersten Signalen angegeben werden, wobei Intervalle zwischen den ersten Signalen und den zweiten Signalen die verschieden Gebiete der Drehmomenterzeugung angeben.
Maschine nach Anspruch 1, bei der die ersten und zweiten Signale jeweils Übergänge zwischen Zuständen von einem digitalen Ausgang mit gleichmäßigem Tastverhältnis sind.
Maschine nach Anspruch 1 oder 2, bei der das Bauteil einen Satz von Eigenschaften (28) definiert, um die Sensoren zu beeinflussen, um die ersten und zweiten Signale zu erzeugen.
Maschine nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei der die zweiten Signale bezüglich der ersten Signale um zwischen 10% und 20% der Rotorpolteilung vorauseilen, vorzugsweise 17%.
Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Stator, die Phasenwicklung und der Rotor als eine geschaltete Reluktanzmaschine angeordnet sind.
Elektrisches Maschinensystem mit einer Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, einer Steuerung (36) und einer Schaltanordnung (38), die funktional angeschlossen ist, um von der Steuerung betätigt zu werden, um die Phasenwicklung zu erregen, wobei die Steuerung auf die ersten und zweiten Signale anspricht, um entsprechend dieser Intervalle eine Prozedur durchzuführen, um die Schaltanordnung zu betätigen, um die Maschine zu starten.
System nach Anspruch 6, bei dem die Steuerung betätigbar ist, um die ersten und zweiten Signale zu dekodieren, um zu bestimmen, ob sich der Rotor in die gewünschte Richtung dreht, und um das Starten der Maschine in Reaktion auf die dekodierten Ausgänge fortzusetzten oder zu unterbrechen.
System nach Anspruch 6 oder 7, bei dem die Steuerung einen Zeitgeber (134) aufweist, der betätigbar ist, um die Zeit zwischen dem Auftreten der Signale zu bestimmen, um bei Empfang eines Signals zum Starten der Maschine zu bestimmen, ob sich der Rotor im Wesentlichen in Bewegung befindet, wobei die Steuerung das Starten der Maschine ermöglicht, wenn die Zeit eine vorbestimmte Zeitdauer überschreitet, ohne dass die ersten oder zweiten Signale auftreten.
System nach Anspruch 8, bei dem der Zeitgeber rückstellbar ist, um das Fortschreiten des Anlaufens des Motors durch die Steuerung zu überwachen, und zwar gemäß dem aufeinanderfolgenden Auftreten der ersten und zweiten Signale.
System nach einem der Ansprüche 6 bis 9, bei dem die Steuerung betätigbar ist, um aus den ersten oder zweiten Signalen Phasenwicklungserregungszeitinformationen abzuleiten.
Verfahren zum Starten eines einphasigen elektrischen Maschinensystems nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Verfahren umfasst: Überwachen der ersten und zweiten Signale; und Erregen der Phasenwicklung in einem Intervall zwischen den ersten und zweiten Signalen, um den Rotor in eine gewünschte Richtung zu drehen.
Verfahren nach Anspruch 11, mit: Dekodieren der Sequenz von ersten und zweiten Signalen, um die Richtung zu bestimmen, in der sich der Rotor dreht; und Fortsetzen oder Unterbrechen des Startens der Maschine in Reaktion auf die dekodierte Sequenz.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, mit: zeitlicher Bestimmung der Periode zwischen den ersten und zweiten Signalen vor dem Starten; und Starten der Maschine, wenn die Periode einen vorbestimmten Grenzwert übersteigt.
Verfahren nach Anspruch 13, mit: Rücksetzen des Zeitgebers, um den Prozess des Startens gemäß dem aufeinanderfolgenden Auftreten der ersten und zweiten Signale zu überwachen.
Verfahren zur Steuerung eines elektrischen Maschinensystems nach einem der Ansprüche 6 bis 10, mit: Auswählen von einem von den ersten oder zweiten Signalen, um die Phasenwicklung nach dem Starten zeitlich gesteuert zu erregen.