DE69831786T2

DE69831786T2 - Kommutationsregler

Info

Publication number: DE69831786T2
Application number: DE69831786T
Authority: DE
Inventors: David Mark Ilkley Leeds Sugden
Original assignee: SWITCHED RELUCTANCE DRIVES Ltd; Switched Reluctance Drives Ltd
Current assignee: Nidec SR Drives Ltd
Priority date: 1997-12-12
Filing date: 1998-11-17
Publication date: 2006-07-13
Anticipated expiration: 2018-11-18
Also published as: US6008615A; KR19990062920A; JPH11252971A; KR100572164B1; CN1219799A; EP0923191B1; CN1088284C; GB9726397D0; JP3355141B2; EP0923191A1; BR9805337A; DE69831786D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein einen Kommutationsregler für eine elektronisch kommutierte elektrische Maschine und insbesondere ein solches Regelsystem für eine geschaltete Reluktanzmaschine.
Im Allgemeinen ist eine Reluktanzmaschine eine elektrische Maschine, in der durch das Bestreben ihres beweglichen Teils, sich in eine Position zu bewegen, in der die Reluktanz eines magnetischen Kreises minimal ist, d.h. in der die Induktivität der Erregerwicklung maximal ist, ein Drehmoment erzeugt wird. Bei einem Typ der Reluktanzmaschine findet das Unterstromsetzen der Phasenwicklungen mit einer gesteuerten Frequenz statt. Dieser Typ wird im Allgemeinen als synchrone Reluktanzmaschine bezeichnet. Er kann als Motor oder als Generator betrieben werden. Bei einem zweiten Typ der Reluktanzmaschine wird eine Schaltungsanordnung zur Erfassung der Winkelposition des Rotors und Unterstromsetzen der Phasenwicklungen in Abhängigkeit von der Rotorposition bereitgestellt. Dieser zweite Typ der Reluktanzmaschine ist allgemein als geschaltete Reluktanzmaschine bekannt. Er kann ebenfalls Motor oder Generator sein. Die Merkmale solcher geschalteter Reluktanzmaschinen sind wohl bekannt und beispielsweise in "The characteristics, design and application of switched reluctance motors and drives" von Stephenson und Blake, PCIM'93, Nürnberg, 21.–24. Juni 1993, beschrieben.
1 zeigt die Hauptkomponenten eines typischen geschalteten Reluktanzsystems 10. Die Eingangsgleichstromversorgung 11 kann entweder eine Batterie oder ein gleichgerichteter und gefilterter Wechselstrom aus dem Netz sein. Die von der Stromversorgung 11 bereitgestellte Gleichspannung wird von einem Leistungswandler 13 unter der Steuerung durch eine elektronische Steuereinheit 14 über die Phasenwicklungen 12 der Maschine 16 geschaltet. Für einen ordnungsgemäßen Betrieb des geschalteten Reluktanzsystems 10 muss das Schalten mit dem Drehwinkel des Rotors genau synchronisiert sein. Typisch wird ein Rotorpositionsgeber 15 verwendet, der Signale liefert, welche der Winkelposition des Rotors entsprechen. Das Ausgangssignal des Rotorpositionsgebers 15 kann auch benutzt werden, um ein Geschwindigkeitsrückmeldesignal zu erzeugen.
Der Rotorpositionsgeber 15 kann viele Formen annehmen, beispielsweise kann er die Form von Hardware annehmen, wie in 1 schematisch gezeigt ist, oder die Form eines Softwarealgorithmus, der die Position aus anderen überwachten Parametern des Antriebssystems berechnet, beispielsweise so, wie in EP-A-0 573 198 (Ray) beschrieben ist. In einigen Systemen kann der Rotorpositionsgeber 15 einen Rotorpositionsmessaufnehmer aufweisen, der Ausgangssignale abgibt, die jedes Mal, wenn sich der Rotor in eine Position dreht, in der eine andere Schaltanordnung der Vorrichtungen in dem Leistungswandler 13 erforderlich ist, den Zustand ändern.
Die Wahl des richtigen Zeitpunktes des Unterstromsetzens der Phasenwicklungen in einer geschalteten Reluktanzmaschine hängt stark von einer präzisen Erfassung der Winkelposition des Rotors ab. Die Bedeutung präziser Signale von dem Rotorpositionsmessaufnehmer 15 kann mit Bezug auf die 2 und 3 erklärt werden, die das Schalten einer als Motor betriebenen Reluktanzmaschine verdeutlichen.
2 zeigt allgemein einen Rotorpol 20, der sich entsprechend dem Pfeil 22 einem Statorpo 21 nähert. Wie in 2 dargestellt ist, ist ein Abschnitt 23 einer vollständigen Phasenwicklung 12 um den Statorpol 21 gewickelt. Wie weiter oben erörtert worden ist, wird, wenn der Abschnitt der Phasenwicklung 23 um den Statorpol 21 stromführend ist, eine Kraft auf den Rotor ausgeübt, die das Bestreben hat, den Rotorpol 20 in Ausrichtung auf den Statorpol 21 zu ziehen. 3 zeigt allgemein einen typischen Umschaltungsschaltkreis in dem Leistungswandler 13, welches das Unterstromsetzen des Abschnitts 23 der Phasenwicklung 12 um den Statorpol 21 steuert. Die Schaltung weist einen ersten und einen zweiten Schalter 31/32 sowie für jeden Schalter eine Rückleitungsdiode 33 und 34 auf. Wenn die Schalter 31 und 32 geschlossen sind, ist die Phasenwicklung 12 an die Gleichstromquelle angeschlossen und wird unter Strom gesetzt. Im Fach sind noch viele weitere Schaltwerkkonfigurationen bekannt; einige davon sind in dem oben erwähnten Dokument von Stephenson und Blake erörtert.
Im Allgemeinen wird die Phasenwicklung unter Strom gesetzt, um folgendermaßen ein Drehen des Rotors zu bewirken: An einer ersten Winkelposition des Rotors (Einschaltwinkel θ_EIN genannt), gibt die Steuereinheit 14 Schaltsignale ab, um beide Schaltelemente 31 und 32 einzuschalten. Wenn die Schaltelemente 31 und 32 eingeschaltet sind, ist die Phasenwicklung an die Gleichstromversorgung angeschlossen, wodurch die Herausbildung eines zunehmenden Magnetflusses in der Maschine bewirkt wird. Dieser Magnetfluss, der auf den Rotorpol einwirkt, erzeugt das Motorbetrieb-Drehmoment. Wenn der Magnetfluss in der Maschine zunimmt, fließt Strom von der Gleichstromversorgung durch die Schalter 31 und 32 und die Phasenwicklung 12. Bei einigen Steuereinheiten wird eine Stromrückkopplung benutzt, und die Stärke des Phasenstroms wird durch Choppen bzw. Zerhacken des Stroms durch schnelles Ein- und Ausschalten eines der oder beider Schaltelemente 31 und/oder 32 gesteuert. Im Motorbetrieb ist der Einschaltwinkel oftmals so gewählt, dass er der Rotorposition, an der die Mittellinie eines Polzwischenraums an dem Rotor zu der Mittellinie eines Statorpols ausgerichtet ist, entspricht; er könnte jedoch auch ein anderer Winkel sein.
Bei vielen Systemen bleibt die Phasenwicklung an den Gleichstrombus angeschlossen (oder an den Chopper angeschlossen, wenn ein Choppen verwendet wird), bis sich der Rotor derart dreht, dass er den so genannten "Freilaufwinkel" θ_FW erreicht. Wenn der Rotor eine Winkelposition erreicht, die dem Freilaufwinkel entspricht (z.B. die in 2 gezeigte Position), wird einer der Schalter, beispielsweise 31, ausgeschaltet. Folglich wird der Strom, der durch die Phasenwicklung fließt, weiterhin fließen, jedoch wird er nun nur durch einen der Schalter (in diesem Beispiel 32) und nur durch eine der Rückleitungsdioden (in diesem Beispiel 34) fließen. Während der Freilaufperiode ist der Spannungsabfall über der Phasenwicklung gering, und der Fluss bleibt im Wesentlichen konstant. Die Schaltung bleibt in diesem Freilaufzustand, bis der Rotor in eine Winkelposition dreht die als "Ausschaltwinkel" θ_AUS bekannt ist (z.B. wenn die Mittellinie des Rotorpols zu jener des Statorpols ausgerichtet ist). Wie der Einschaltwinkel kann auch der Ausschaltwinkel so gewählt sein, dass er irgendeiner anderen Position entspricht.
Wenn der Rotor den Ausschaltwinkel erreicht, werden beide Schalter 31 und 32 ausgeschaltet, und der Strom in der Phasenwicklung 12 beginnt, durch die Dioden 33 und 34 zu fließen. Die Dioden 33 und 34 legen dann die Gleichspannung von dem Gleichstrombus in entgegengesetzter Richtung an, wodurch eine Abnahme des Magnetflusses in der Maschine (und folglich des Phasenstroms) bewirkt wird.
4(a) zeigt eine typische Strom-Wellenform in der Chopping-Betriebsart, wobei ein Choppen des Stroms zwischen zwei festen Pegeln erfolgt. Wenn die Drehzahl der Maschine zunimmt, steht für den Strom weniger Zeit für den Anstieg bis zu dem Chopping-Pegel zur Verfügung, und der Antrieb läuft normalerweise in einer Einzelimpulsbetriebsart. In dieser Betriebsart sind der Einschaltwinkel, der Freilaufwinkel und der Ausschaltwinkel in Abhängigkeit von beispielsweise der Drehzahl und dem Drehmoment bei Last gewählt. 4(b) zeigt eine typische Einzelimpuls-Strom-Wellenform, wobei der Freilaufwinkel null ist.
Es ist wohl bekannt, dass die Werte des Einschalt-, Freilauf- und Ausschaltwinkels für unterschiedliche Motordrehzahlen im Voraus festgelegt in einem geeigneten Format, wie etwa einer Nachschlage-Tabelle, für einen Abruf nach Bedarf durch das Steuersystem gespeichert oder in Echtzeit berechnet oder abgeleitet werden können. In jedem Fall ist es erforderlich, die entsprechende Winkelposition des Rotors zu erfassen, damit das erforderliche Schalten ausgeführt werden kann. Im Allgemeinen erfordert dies entweder, dass der Positionsgeber selbst technisch ausgereift genug ist, um eine hohe Auflösung der Position zu erzielen, oder dass die Rotorpositionsgebersignale auf irgendeine Art interpoliert werden können, um Positionsinformationen mit einer hohen Auflösung zur Verfügung zu stellen. Der erste Fall bedingt die Verwendung eines verhältnismäßig komplexen und aufwändigen Stellungsgebers. Ein Beispiel für den zweiten Fall ist in EP-A-0 735 664 (Sugden) beschrieben, wobei ein Hochfrequenzimpulstaktgeber benutzt wird, um eine digitale Rampe zu erzeugen, wovon die entsprechenden Winkelpositionen interpoliert werden können.
In 5 ist ein Rotorpositionsmessaufnehmer 15 veranschaulicht, der optische Sensoren 42 benutzt, die mit einem beweglichen Flügelrad 44 zusammenwirken, an dem lichtunterbrechende, unter einem Winkel beabstandete Segmente ausgebildet sind. Das Flügelrad 44 dreht sich mit dem Rotor der elektrischen Maschine, wie in 1 schematisch gezeigt ist, wodurch bewirkt wird, dass die Sensoren Hochpegel- und Tiefpegelausgaben erzeugen, wenn sich die Segmente an jedem Sensor vorbeibewegen. Man wird verstehen, dass in diesem Beispiel das Ausgangssignal jedes Sensors benutzt wird, um das Unterstromsetzen einer entsprechenden Phase der Maschinenwicklung zu steuern. Es sind weitere Ausführungen bekannt, bei denen die Anzahl der Sensoren größer oder kleiner als die Anzahl der Phasen ist.
Die Steuereinheit 14 von 1 kann einen Satz Ausgangssignale von dem Rotorpositionsmessaufnehmer entgegennehmen und diese Signale benutzen, um das Schalten der Leistungseinheiten zu steuern, um das Unterstromsetzen der Phasenwicklungen der geschalteten Reluktanzmaschine zu regeln. Dies geschieht durch Beobachten der Impulszüge, die von den Sensoren von 5 erzeugt werden, wenn sich das Flügelrad dreht. 6 zeigt die Signale, die von den drei Sensoren von 5 erzeugt werden, wenn sich das Flügelrad mit konstanter Drehzahl dreht. Außerdem zeigt 6 ein Signal, das durch eine einfache logische Verknüpfung der drei Sensorsignale in der Weise erzeugt wird, dass jedes Mal, wenn es einen Übergang bei einem der drei Signale gibt, eine ansteigende oder fallende Flanke erzeugt wird.
7a) zeigt die idealisierte Induktivitätswellenform einer Phase (z.B. der Phase A) der in 1 gezeigten Maschine. Der Fachmann, der mit Reluktanzmaschinen vertraut ist, wird erkennen, dass sie periodisch ist, wobei die Periode durch den Rotorpolabstand definiert ist. In der Praxis sind die Ecken der Induktivitätswellenform durch Nebeneffekt wie etwa eine Streuung des Flusses abgerundet, jedoch sind solche Einflüsse für die Funktionsweise der Maschine unwesentlich.
7b) zeigt die Beziehung zwischen dem Rotorpositionsmessaufnehmersignal RTP_A von 6 und der Induktivitätswellenform. Der Sensor 42 ist in Bezug auf die Statorpole so ausgerichtet (und das drehbare Flügelrad ist in Bezug auf die Rotorpole ausgerichtet), dass er in den Mitten der Regionen mit maximaler und minimaler Induktivität Übergänge im Ausgangssignal liefert. Diese Übergänge können benutzt werden, z.B. wie in dem oben erwähnten Dokument EP-A-0 735 664 (Sugden) beschrieben, um die zeitliche Anpassung der Kommutation einer elektronisch kommutierten Maschine zu steuern. Wenn die Steuerwinkel θ_EIN und θ_AUS in geeigneter Weise in Form von Spannungspegeln oder digitalen Wörtern spezifiziert sind, dann kann die Erfassung der Punkte, an denen die entsprechenden Pegel oder Wörter erreicht werden, benutzt werden, um die für die Schaltvorrichtungen erforderlichen Anlasssignale zu erzeugen, wie nun beschrieben wird.
7c) veranschaulicht eine Motorbetrieb-Rampe für die Phase A, wobei sie einen Spannungspegel aufweist, der mit dem Rotorwinkel linear ansteigt. Die Rampe wird bei jeder fallenden Flanke des RPT-Signals zurückgesetzt. Entsprechend den Winkeln θ_EIN und θ_AUS an denen die Phase unter Strom gesetzt und danach von der Stromquelle getrennt wird, sind zwei Schwellenwerte festgelegt. θ_EIN bewirkt den Start eines Anlassimpulses, wenn die Rampe den θ_EIN-Schwellenwert überschreitet. Der Anlassimpuls wird aufrechterhalten, bis dieselbe Rampe die θ_AUS-Schwelle überschreitet. Durch Einstellen der θ_EIN-Schwelle wird der Zeitpunkt der Einleitung des Motorbetrieb-Anlassimpulses verändert. In ähnlicher Weise wird durch Einstellen der θ_AUS-Schwelle die Dauer des Anlassimpulses verändert. 7d) veranschaulicht einen Motorbetrieb-Anlassimpuls, der, wie zu sehen ist, durch den Durchgang der Rampe durch die θ_EIN- und θ_AUS-Schwellenwerte erzeugt werden kann.
7e) veranschaulicht die in einer Generatorbetriebsart an der Anstiegflanke des RTP-Signals eingeleiteten Rampen. Wiederum bestimmt der Durchgang der Rampe durch die θ_EIN- und θ_AUS-Schwellenwerte den Start und die Dauer der Generatorbetrieb-Anlassimpulse. Die Impulse sind in 7(f) gezeigt.
Systeme, die auf diesem Prinzip beruhen, sind preiswert, was die Komponenten anbelangt, und arbeiten im stationären Zustand gut. Wenn jedoch ein Übergang vom Motorbetrieb zum Generatorbetrieb oder umgekehrt vollzogen wird, besteht eine Wahrscheinlichkeit eines anfangs falsch gesetzten Anlassimpulses. Dies kann zu einem zufällig positionierten Drehmomentimpuls in der Maschine führen, der akustische Schwingungen zur Folge haben kann und zu hohen Fehlerströmen führt. Eine Möglichkeit ist, eine Situation, in welcher ein Anlassimpuls bei dem Übergang von einer Betriebsart in die andere falsch gesetzt wird, zu erkennen und diesen Impuls ganz auszulassen. Die Steuerung bzw. Regelung in der ausgewählten Betriebsart wird dann erst in der nächsten Phase in der Sequenz aufgenommen. Dies hat eine erhebliche Störung des Drehmoments durch das anhaltende Fehlen jeglicher Phasenerregung überhaupt zur Folge.
Eine alternative Vorgehensweise ist, die mit der anfänglichen Betriebsart verbundene Rampe zu unterdrücken und die erste Rampe der zweiten Betriebsart zum Zeitpunkt des Übergangs zwischen den Betriebsarten zu starten. Dies ist in 7(g) veranschaulicht. Bei der Winkelposition T hebt der Befehl, den Übergang aus einer Motorbetriebsart in eine Generatorbetriebsart zu vollziehen, die Motorbetrieb-Rampe auf, worauf unmittelbar die Generatorbetrieb-Rampe folgt. Da jedoch der Übergang zwischen dem theoretisch korrekten Start der Generatorbetrieb-Rampe und dem Ende des theoretisch korrekten Endes des Generatorbetrieb-Anlassimpulses stattfindet, startet die Generatorbetrieb-Rampe nicht an der richtigen Stelle, mit der Anstiegflanke des RPT-Signals zusammenfallend. Wie in 7(h) gezeigt ist, ist das Ergebnis, dass der erste Generatorbetrieb-Anlassimpuls infolge des Fehlers bei der Größe der Rampe an einer gegebenen Rotorposition verzögert und von kürzerer Dauer ist. Dies ist im Gegensatz zu der angestrebten Position und Dauer des ersten Generatorbetrieb-Anlassimpulses, der dem Übergang folgt, wie in 7i) gezeigt ist.
EP-A-0 456 828 offenbart eine Schaltung und ein Verfahren, welches die Merkmale des Oberbegriffs der unabhängigen Ansprüche aufweist.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein kostengünstiges Verfahren zur Ableitung von Winkelpositionsinformationen sowohl unter stationären Bedingungen als auch unter Übergangsbedingungen und zur Erzeugung von zuverlässigen Anlassimpulsen für eine elektronisch kommutierte elektrische Maschine zu schaffen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Kommutationsregelschaltung für eine elektronisch kommutierte elektrische Maschine mit einem Rotor und einem Stator geschaffen, wobei die Kommutationsregelschaltung Folgendes aufweist: Positionserfassungsmittel, die ein Positionserfassungssignal abgeben, das die Position des Rotors in Bezug auf den Stator anzeigt; einen Motorbetrieb-Zeitgeber, der auf das Positionserfassungssignal anspricht und Motorbetrieb-Anlassimpulse für eine Motorbetriebsart der Maschine erzeugt; gekennzeichnet durch einen Generatorbetrieb-Zeitgeber, der auf das Positionserfassungssignal anspricht und Generatorbetrieb-Anlassimpulse für eine Generatorbetriebsart der Maschine erzeugt; und Mittel zum Auswählen zwischen den Anlassimpulsen des Motorbetrieb-Zeitgebers und des Generatorbetrieb-Zeitgebers, um Anlassimpulse für ein Kommutieren der Maschine in einer der Betriebsarten, der Motorbetriebsart oder der Generatorbetriebsart, zu erzeugen.
Die Erfindung stellt ein korrektes Kommutieren sicher, da der Motorbetriebsart-Zeitgeber und der Generatorbetriebsart-Zeitgeber unabhängig voneinander wirken. Folglich wird ungeachtet der Position in einem Rotorzyklus, an welcher ein Übergang zwischen Betriebsarten stattfindet, ein Kommutieren in der ausgewählten Betriebsart nicht durch die vorhergehende Betriebsart beeinträchtigt sein.
Außerdem erstreckt sich die Erfindung auf ein geschaltetes Reluktanzsystem, das Folgendes aufweist: eine Reluktanzmaschine mit einem Rotor, einem Stator und wenigstens einer Phasenwicklung; Schaltmittel, die so betätigt werden können, dass sie das Unterstromsetzen der oder jeder Phasenwicklung steuern; eine Steuereinheit, die so ausgelegt ist, dass sie die Schaltmittel betätigt, wobei die Steuereinheit eine Kommutationsregelschaltung wie beschrieben aufweist, wobei die Schaltmittel auf die Kommutationssignale der Schaltung ansprechen, um die oder jede Phasenwicklung unter Strom zu setzen.
Vorzugsweise erfolgt die Auswahl zwischen den Betriebsarten mit einem Multiplexer.
Vorzugsweise weist das Positionserfassungssignal ansteigende und fallende Flanken auf, und der Motorbetrieb-Zeitgeber bzw. der Generatorbetrieb-Zeitgeber spricht jeweils auf eine der Flanken, die ansteigenden oder die fallenden Flanken, an, um eine Rampe in Form eines ansteigenden Signalwertes oder eines Zählwertes, worauf der Beginn und das Ende der entsprechenden Anlassimpulse beruhen, einzuleiten.
Außerdem wird gemäß der Erfindung ein Verfahren zur zeitlichen Anpassung der Kommutation in einer elektrischen Maschine mit einem Rotor und einem Stator für einen Motorbetrieb oder einen Generatorbetrieb geschaffen, wobei das Verfahren aufweist:
Erzeugen eines Positionserfassungssignals, das auf die Position des Rotors in Bezug auf den Stator anzeigt;
Erzeugen von Motorbetrieb-Anlassimpulsen als Reaktion auf das Positionserfassungssignal, um die Maschine in einer Motorbetriebsart der Maschine zu betreiben;
Erzeugen von Generatorbetrieb-Anlassimpulsen als Reaktion auf das Positionserfassungssignal, um die Maschine in einer Generatorbetriebsart der Maschine zu betreiben; und
Auswählen zwischen den Anlassimpulsen der Motorbetriebsart und der Generatorbetriebsart, um die Maschine in der ausgewählten Betriebsart laufen zu lassen.
Das Verfahren kann das Erzeugen einer kontinuierlichen Folge von Motorbetrieb-Anlassimpulsen gleichzeitig zu der Erzeugung einer kontinuierlichen Folge von Generatorbetrieb-Anlassimpulsen einschließen.
Das Positionserfassungssignal kann benutzt werden, um im Voraus festgelegte Positionen des Rotors in Bezug auf den Stator anzuzeigen, an denen sich der Beginn und das Ende des Anlassimpulses ereignen. Alternativ könnte der eingeleitete Anlassimpuls nach einer Verzögerung beendet werden.
Die vorliegende Erfindung kann benutzt werden, um ein kostengünstiges, effizientes Regelungssystem für einen geschalteten Reluktanzantrieb sowohl in der Motorbetriebsart als auch in der Generatorbetriebsart zu schaffen. Dieses Regelungssystem lässt eine kostengünstige Regelung eines geschalteten Reluktanzantriebs unter Übergangsbedingungen zu.
Die vorliegende Erfindung kann auf verschiedene Weisen in die Praxis überführt werden, wovon nun einige beispielhaft und mit Bezug auf die beigefügte Zeichnung beschrieben werden, worin:
1 die Hauptkomponenten eines geschalteten Reluktanzsystems zeigt;
2 eine Prinzipskizze eines Rotorpols, der sich einem Statorpol in einer Reluktanzmaschine nähert, zeigt;
3 einen typischen Umschaltschaltkreis in einem Leistungswandler zeigt, welcher das Unterstromsetzen des Abschnitts der Phasenwicklung, die dem Statorpol von 2 zugeordnet ist, steuert;
4(a) und (b) typische Strom-Wellenformen eines geschalteten Reluktanzsystems, das in einer Chopping- bzw. Einzelimpuls-Betriebsart arbeitet, veranschaulichen;
5 einen Rotorpositionsmessaufnehmer für die Steuerung des Betriebs eines geschalteten Reluktanzantriebs veranschaulicht;
6 die Signale, die von dem Rotorpositionsmessaufnehmer in 5 erzeugt werden können, veranschaulicht;
7 Wellenformen zeigt, die in bekannten Regelungssystemen erzeugt werden;
8 eine Prinzipskizze eines Regelungssystems gemäß der Erfindung zeigt, und
9 die Wellenformen in einem Regelungssystem gemäß dieser Erfindung zeigt.
In 8 weist eine Kommutationsregelschaltung für eine Phase einer geschalteten Reluktanzmaschine einen Motorbetrieb-Rampenzähler 60 und einen Generatorbetrieb-Rampenzähler 62 auf. Jeder Zähler 60/62 zählt Impulse von Hochfrequenz-(HF-)Impulstaktgebern 61/63. Der Zähler 60 wird durch die fallende Flanke eines der Ausgangssignale des Rotorpositionsmessaufnehmers (RPT) 15 (siehe 9a)) für jede der drei Phasen A, B und C zurückgesetzt. Der Zähler 62 wird durch die mittels einer Umkehrschaltung 64 invertierte Form des Ausgangssignals des RPT 15 zurückgesetzt.
Der Rotorpositionsmessaufnehmer (RPT) 15 ist in 5 veranschaulicht. Es sollte beachtet werden, dass der besondere Rotorpositionsmessaufnehmer nur beispielhaft ist, da die vorliegende Erfindung auf weitere Typen und weitere Konfigurationen von Flügelrädern und Sensoren sowie weitere Formen von Stellungsgebern anwendbar ist. Beispielsweise könnten die Anzahl und der Ort der Sensoren geändert werden, damit sie sich für eine besondere Anwendung eignen. Außerdem ist es nicht unbedingt notwendig, dass das Flügelrad lichtundurchlässige und lichtdurchlässige Abschnitte definiert. Es könnten andere Typen von Flügelrädern und Sensoren benutzt werden. Beispielsweise könnte das Flügelrad aus Magnetmarkierungsbereichen und nichtmagnetischen Zwischenraumbereichen aufgebaut sein, und die Sensoren könnten Halleffekteinrichtungen aufweisen. Genauso könnte das Flügelrad Zähne aus ferromagnetischem Material aufweisen, und die Sensoren könnten jeweils in Form eines Reluktanzsensors sein. Außerdem sind in dem veranschaulichten Beispiel die Übergänge zwischen Markierungen und Zwischenräumen in dem RPT-Ausgangssignal mit den Mitten der Bereiche maximaler und minimaler Induktion in jedem Maschinenphasenzyklus zusammenfallend. Eine andere Positionierung der Übergänge zwischen Markierungen und Zwischenräumen in dem RPT-Signal könnte mit dem gleichen Ergebnis benutzt werden, wie für den Fachmann offensichtlich ist.
Der Kommutator kann als Teil der Steuereinrichtung 14 von 1 verwirklicht sein. An sich erstreckt sich die Erfindung auf ein geschaltetes Reluktanzsystem, das den Kommutator, der Gegenstand der Erfindung ist, enthält.
Der Kommutator der vorliegenden Erfindung kann für den Zweck der Beschreibung praktischerweise in zwei Teile unterteilt werden. Dem Motorbetriebsteil ist der Zähler 60 zugeordnet. Dem Generatorbetriebsteil ist der Zähler 62 zugeordnet. Was den Motorbetriebsteil anbelangt, so wird ein 8-Bit-Ausgangswort von dem Zähler 60 als eine Eingabe B an EIN-Winkel- und AUS-Winkel-Motorbetrieb-Komparatoren 65 und 66 geliefert. Jeder Komparator nimmt außerdem ein Anforderungseingangssignal in A entgegen, das in jedem Fall der Größe des Wortes von dem Zähler 60 entspricht, bei der es erforderlich ist, das Unterstromsetzen der Phase, die geregelt wird, ein- oder auszuschalten. Diese EIN-Winkel- und AUS-Winkelsignale entsprechen den in Verbindung mit 4b) erwähnten Positionen θ_EIN und θ_AUS. Die Ausgangssignale der Komparatoren werden in einem UND-Gatter 68 kombiniert, um einen Anlassimpuls für die zu jener Phasenwicklung der Maschine gehörenden Schalter zu erzeugen. Der resultierende Motorbetrieb-Anlassimpuls ist in 9c) gezeigt, wobei die ansteigende und die fallende Flanke des Anlassimpulses mit den Punkten zusammenfallen, an denen das Zählerausgangssignal durch die zwei Schwellenwerte geht.
In dem Generatorbetriebsteil der Steuereinheit wird das invertierte RPT-Signal an den Zähler 62 angelegt, der seine eigene Rampenausgabe mit der Frequenz des HF-Takteingangssignals erzeugt. Die Generatorbetrieb-Rampe wird bei der Anstiegflanke des RPT-Signals eingeleitet. Das zunehmende 8-Bit-Wort von dem Zähler 62 wird auf eine ähnliche Weise wie mit Bezug auf den Motorbetriebsteil der Steuereinheit beschrieben worden ist, an einen EIN-Winkel- und an einen AUS-Winkel-Komparator 72/74 angelegt.
9d) veranschaulicht die Generatorbetrieb-Rampen, die bei den Anstiegflanken des RTP-Signals von 9a) eingeleitet werden. Wie bei der Motorbetriebsbedingung bestimmen die Schwellenwerte, die durch die an den Komparatoren 72/74 anliegenden Werte und den Anstieg der Rampe festgelegt sind, θ_EIN und θ_AUS für den Generatorbetrieb. Der resultierende Generatorbetrieb-Anlassimpuls, der in 9e) gezeigt ist, wird durch das UND-Gatter 76 erzeugt.
Man wird verstehen, dass im Betrieb sowohl das UND-Gatter 68 als auch das UND-Gatter 76 einen kontinuierlichen Strom von Anlassimpulsen erzeugt. Es muss ausgewählt werden, welcher davon verwendet werden soll. Die Auswahl des Motorbetriebs oder des Generatorbetriebs erfolgt in dem Multiplexer 70 mittels der Steuereinheit 14 von 1, welche die Anlassimpulse von einem der UND-Gatter 68/76 entsprechend einem Drehmomentvorzeichensignal auf der Leitung 78, je nachdem, ob die Maschine als Motor oder als Generator laufen soll, auswählt. Der entsprechende Anlassimpuls wird auf die Leitung 79 ausgegeben.
Durch kontinuierliches Erzeugen der Motorbetrieb-Rampe und der Generatorbetrieb-Rampe, die jederzeit korrekt synchronisiert sind, und durch Benutzen eines Drehmomentvorzeichensignals auf der Leitung 78, um zu bestimmen, ob das System im Motorbetrieb oder im Generatorbetrieb sein sollte, und dadurch Auswählen des Anlassimpulses von der entsprechenden Rampe, sind die Anlassimpulse, die durch die Erfindung erzeugt werden, ungeachtet des Punktes, an dem ein Übergang zwischen dem Motorbetrieb und dem Generatorbetrieb vollzogen wird, immer an der richtigen Winkelposition.
Zum Zweck der Veranschaulichung zeigt 9f) die zwei zeitlich korrekt angepassten Rampen für den Motorbetrieb und den Generatorbetrieb. Die Überschneidung der beiden vor dem Punkt T ist die Zeitdauer, um welche der Generatorbetrieb-Impuls im Stand der Technik verzögert wäre, wie mit Bezug auf 7 erwähnt worden ist.
9g) veranschaulicht die gewünschten Impulse bei einem Wechsel vom Motorbetrieb zum Generatorbetrieb im Punkt T. 9h) veranschaulicht die Erzeugung dieser zeitlich korrekt angepassten Motorbetrieb- und Generatorbetrieb-Anlassimpulse gemäß der Erfindung. Die Rampe für die Anlassimpulse von dem Multiplexer 70 für die Generatorbetriebsart ist unbeeinflusst von der vorhergehenden Rampe für den Anlassimpuls für die Motorbetriebsart, da jede in unabhängiger Weise erzeugt ist. Wenn ein Übergang erforderlich ist (im Punkt T), stellt der Wechsel des Drehmomentvorzeichens sicher, dass der Motorbetrieb-Impuls beendet wird und der Generatorbetrieb-Impuls ausgewählt wird, um für die korrekte Winkelposition des angeforderten Generatorbetrieb-Anlassimpulses zu sorgen.
Durch kontinuierliches Erzeugen der Motorbetrieb-Rampen und der Generatorbetrieb-Rampen, die jederzeit korrekt synchronisiert sind, und durch Benutzen eines Drehmomentvorzeichensignals, um zu bestimmen, ob das System im Motorbetrieb oder im Generatorbetrieb sein sollte, und dadurch Auswählen des Anlassimpulses von der entsprechenden Rampe, sind die Anlassimpulse ungeachtet des Punktes, an dem der Übergang vollzogen wird, immer an der richtigen Winkelposition. Wenn ein Übergang vom Motorbetrieb zum Generatorbetrieb erforderlich ist, wird der Motorbetrieb-Impuls abgewählt, und es wird der Generatorbetrieb-Impuls gewählt.
Wenn auch 8 die Logik-Bauelemente zeigt, die verwendet werden können, um die Regelung der Erfindung in digitaler Form umzusetzen, ist klar, dass die Erfindung mit dem gleichen Ergebnis in analoger Form oder in einer anderen digitalen Ausführung umgesetzt werden kann.
Man wird verstehen, dass die in 8 gezeigte Schaltung für jede Phase des Antriebssystems reproduziert werden kann. Dem Fachmann ist klar, dass im Fall eines Mehrphasensystems einige Bauelemente von 8, z.B. der HF-Impulstaktgeber, für alle Phasen gemeinsam sein könnten.
Falls eine Freilaufperiode in den Leitungszyklus (wie oben beschrieben) eingefügt werden soll, wird einem Fachmann klar sein, dass dies durch das einfache Hinzufügen von Logik-Bauelementen zu 8 erfolgen kann, um den Anlassimpuls 79 entsprechend zu modifizieren.
Einem Fachmann ist klar, dass die Erfindung verschiede weitere Modifikationen und Variationen zuläßt. Genauso könnte ein Komparator benutzt werden, um die EIN-und AUS-Winkel mit den Motorbetrieb- und Generatorbetrieb-Rampen abwechselnd zu vergleichen und das Ergebnis in einen Zwischenspeicher zu speichern, auf den der Multiplexer zugreifen kann. Außerdem wäre es möglich, Rampen zu benutzen, die bei einem im Voraus festgelegten Wert beginnen und mit der Zeit abfallen, oder Rampen, die bei einem von null verschiedenen Wert beginnen und mit der Zeit ansteigen oder abfallen. In jedem dieser Fälle würden die Schwellenwerte für θ_EIN und θ_AUS in entsprechender Weise geändert werden. Genauso ist es nicht notwendig, dass die Signale von dem RPT zu dem Maximalwert und Minimalwert der Induktivität ausgerichtet sind, da irgendein anderer Bezugspunkt gewählt werden könnte. Die obige Beschreibung ist als Beispiel und nicht zum Zweck der Beschränkung gegeben. Die Erfindung soll nur durch den Geltungsbereich der folgenden Ansprüche beschränkt sein.
DEUTSCHE FIGURENBESCHRIFTUNG Fig. 1, 2, 3, 5
Fig. 4(a) und (b)
Fig. 6
Fig. 7
Fig. 8
Fig. 9

Claims

Kommutationsregelschaltung für eine elektronisch kommutierte elektrische Maschine mit einem Rotor und einem Stator, wobei die Kommutationsregelschaltung Folgendes aufweist: Positionserfassungsmittel, die ein Positionserfassungssignal abgeben, das auf die Position des Rotors in Bezug auf den Stator anzeigt; einen Motorbetrieb-Zeitgeber, der auf das Positionserfassungssignal anspricht und Motorbetrieb-Anlassimpulse für eine Motorbetriebsart der Maschine erzeugt; gekennzeichnet durch: einen Generatorbetrieb-Zeitgeber, der auf das Positionserfassungssignal anspricht und Generatorbetrieb-Anlassimpulse für eine Generatorbetriebsart der Maschine erzeugt; und Mittel zum Auswählen zwischen den Anlassimpulsen des Motorbetrieb-Zeitgebers und des Generatorbetrieb-Zeitgebers, um Auslöseimpulse für ein Kommutieren der Maschine in einer der Betriebsarten, der Motorbetriebsart oder der Generatorbetriebsart, zu erzeugen.
Schaltung nach Anspruch 1, wobei die Mittel zum Auswählen einen Multiplexer aufweisen, der auf ein Auswahlsignal anspricht, um zwischen den Motorbetrieb- und Generatorbetrieb-Anlassimpulsen auszuwählen.
Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, wobei mindestens einer der Zeitgeber, der Motorbetrieb-Zeitgeber oder der Generatorbetrieb-Zeitgeber, auf das Positionserfassungssignal anspricht, um den entsprechenden Anlassimpuls einzuleiten, und außerdem auf das Positionserfassungssignal anspricht, um den entsprechenden Anlassimpuls zu beenden.
Schaltung nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei der Motorbetrieb-Zeitgeber einen Rampengenerator aufweist, der so beschaffen ist, dass er als Reaktion auf das Positionserfassungssignal an einer ersten im Voraus festgelegten Position des Rotors in Bezug auf den Stator eine Rampenausgabe startet, und Motorbetrieb-Vergleichsmittel, die so betriebsfähig sind, dass sie einen Motorbetrieb-Anlassimpuls einleiten, wenn das Rampenausgangssignal einen Motorbetrieb-Einschaltschwellenwert überschreitet, und ferner so betriebsfähig sind, dass sie danach den Motorbetrieb-Auslöseimpuls beenden.
Schaltung nach Anspruch 4, wobei die Motorbetrieb-Vergleichsmittel so betriebsfähig sind, dass sie den Motorbetrieb-Auslöseimpuls beenden, wenn das Rampenausgangssignal einen Motorbetrieb-Ausschaltschwellenwert überschreitet.
Schaltung nach Anspruch 3, 4 oder 5, wobei der Generatorbetrieb-Zeitgeber einen Rampengenerator aufweist, der so beschaffen ist, dass er als Reaktion auf das Positionserfassungssignal an einer zweiten im Voraus festgelegten Position des Rotors in Bezug auf den Stator eine Rampenausgabe startet, und Generatorbetrieb-Vergleichsmittel, die so betriebsfähig sind, dass sie einen Generatorbetrieb-Auslöseimpuls einleiten, wenn das Rampenausgangssignal einen Generatorbetrieb-Einschaltschwellenwert überschreitet, und ferner so betriebsfähig sind, dass sie danach den Generatorbetrieb-Auslöseimpuls beenden.
Schaltung nach Anspruch 6, wobei die Generatorbetrieb-Vergleichsmittel so betriebsfähig sind, dass sie den Generatorbetrieb-Auslöseimpuls beenden, wenn das Rampenausgangssignal einen Generatorbetrieb-Ausschaltschwellenwert überschreitet.
Geschaltetes Reluktanzsystem, das Folgendes aufweist: eine Reluktanzmaschine mit einem Rotor und einem Stator und mindestens einer Phasenwicklung; Schaltmittel, die ansteuerbar sind, um die Energieversorgung der oder jeder Phasenwicklung zu steuern; eine Steuereinheit, die so ausgelegt ist, dass sie die Schaltmittel ansteuern kann, wobei die Steuereinheit eine Kommutationsregelschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche enthält, wobei die Schaltmittel auf die Motorbetrieb- und Generatorbetrieb-Anlassimpulse der Kommutationsregelschaltung reagieren, um die oder jede Phasenwicklung gemäß der ausgewählten Motor- oder Generatorbetriebsart unter Strom zu setzen.
Verfahren zur zeitlichen Anpassung der Kommutation in einer elektrischen Maschine mit einem Rotor und einem Stator für einen Motorbetrieb oder einen Generatorbetrieb, wobei das Verfahren aufweist: Erzeugen eines Positionserfassungssignals, das auf die Position des Rotors in Bezug auf den Stator schließen lässt; Erzeugen von Motorbetrieb-Auslöseimpulsen als Reaktion auf das Positionserfassungssignal, um die Maschine in einer Motorbetriebsart der Maschine zu betreiben; gekennzeichnet durch gleichzeitiges Erzeugen von Generatorbetrieb-Auslöseimpulsen als Reaktion auf das Positionserfassungssignal, um die Maschine in einer Generatorbetriebsart der Maschine zu betreiben; und Auswählen zwischen den Auslöseimpulsen der Motorbetriebsart und der Generatorbetriebsart, um die Maschine in der ausgewählten Betriebsart laufen zu lassen.
Verfahren nach Anspruch 9 einschließlich der Erzeugung einer kontinuierlichen Folge von Motorbetrieb-Auslöseimpulsen und der gleichzeitigen Erzeugung einer kontinuierlichen Folge von Generatorbetrieb-Auslöseimpulsen.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, wobei das Erzeugen von Auslöseimpulsen für die Motorbetriebsart und die Generatorbetriebsart ferner das Einleiten der Anlassimpulse an einer ersten im Voraus festgelegten Rotorposition einschließt.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Erzeugen der Anlassimpulse für die Motorbetriebsart und/oder die Generatorbetriebsart ferner das Beenden der Auslöseimpulse an einer zweiten im Voraus festgelegten Rotorposition einschließt.