DE69927361T2

DE69927361T2 - Motorregler

Info

Publication number: DE69927361T2
Application number: DE69927361T
Authority: DE
Inventors: Yu Huai Lin
Original assignee: Turbocor Inc
Current assignee: Turbocor Inc
Priority date: 1998-03-02
Filing date: 1999-03-02
Publication date: 2006-07-27
Anticipated expiration: 2019-03-03
Also published as: BR9908446A; DE69927361D1; US6438321B1; CN1139181C; EP1060560A4; JP4287998B2; KR20010041504A; CN1292167A; JP2002506338A; CA2322539A1; KR100589531B1; EP1060560B1; EP1060560A1; AUPP208798A0; WO1999045632A1; CA2322539C

Description

Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft eine Motorsteuerung und bezieht sich insbesondere auf eine Motorsteuerung für bürstenlose Hochgeschwindigkeits-Gleichstrommotoren, um die Steuerung der Motorgeschwindigkeit zwischen Minimal- und Maximalgeschwindigkeit mit optimaler Effizienz zu ermöglichen.
Die internationale Patentanmeldung mit der Nr. PCT/AU98/00035 beschreibt einen bürstenlosen Hochgeschwindigkeits-Gleichstrommotor, der insbesondere für den Antrieb eines Kühlkompressors oder Ähnliches entwickelt wurde. Dieser Motor hat einen Rotor, der mit einem Seltenerdmagnet (NdFeB) innerhalb einer nichtmagnetischen Hülle und einer Statorwicklung mit sehr geringer Induktivität gebildet wird, um einen Wirkungsfaktor von nahezu eins zwischen der Grundgeschwindigkeit und der Maximalgeschwindigkeit des Motors zu erreichen.
Die Beschreibung des deutschen Patents mit dem Aktenzeichen 29516307 offenbart eine Motorsteuerung für einen elektrischen Motor, die Sensoren zur Messung der Rotationsgeschwindigkeit des Motors und eine Auswertschaltung beinhaltet, deren Funktion es ist, das Digitalsignal der Rotationsgeschwindigkeit in ein Analogsignal zu wandeln. Das Analogsignal wird dann einem Proportional-Integral-Regler für die Steuerung der Rotationsgeschwindigkeit mittels eines Pulsbreitenreglers zugeführt. Ein Signal für die gewünschte Rotationsgeschwindigkeit wird dem Proportional-Integral-Regler von einem Potentiometer zugeführt. Das Ausgangssignal des Proportional-Integral-Reglers ist eine Spannung zur Steuerung der Motorgeschwindigkeit.
In der europäischen Patentanmeldung mit der Nr. 535280 werden die Direkt- (d) und Querkomponente (q) des Flusses, wie sie von Flusssensoren gemessen oder aus Spannungs- und Strommessungen in einem Direktfeldorientierungsschemata ermittelt werden, schnell und genau verarbeitet, um Flussamplituden- und Winkelpositionswerte für die Verwendung durch einen Vektordreher einer feldorientierte Universal-(UFO)-Steuereinrichtung bereitzustellen. Die Flussamplitude (linear oder quadriert) wird als Rückkopplung zur Abstimmung der UFO-Steuereinheit für den Betrieb in den Direkt- und Indirekt-Feldorientierungsmodi verwendet und gestattet den glatten Übergang von einem Modus zum anderen.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht die Steuerung eines Motors der Bauart, die in der zuvor genannten internationalen Patentanmeldung beschrieben ist, oder von Motoren mit ähnlichem Aufbau, ohne dass es der Verwendung komplexer und vergleichsweise teurer Ansteuerelektronik bedarf.
Um die Steuerung der Motorgeschwindigkeit in erwünschten Bereichen bei Verwendung preiswerter Steuerbauelemente zu gestatten, ist es notwendig, eine Motorsteuerung zu erfinden, die in der Lage ist, Vorteile aus der eine geringe Induktivität aufweisenden Konstruktion der Statorwicklung zu gewinnen. Folglich ist die Bereitstellung einer Motorsteuerung erwünscht, die in der Lage ist, die Geschwindigkeit eines Hochgeschwindigkeits-Gleichstrommotors mit Statorwicklungen, die eine geringe Induktivität aufweisen, zu regeln.
Es ist ebenso erwünscht, eine vergleichsweise preiswerte Motorsteuerung bereitzustellen, die aber auf effektive Weise die notwendige Geschwindigkeitssteuerung bereitstellt, die für einen Kühlkompressor oder Ähnliches erforderlich ist.
Es ist ebenso wünschenswert, eine Motorsteuerung zu schaffen, die hinsichtlich von Motoren eines Größenbereichs und eines strukturellen Aufbaus verwendet werden können.
Es ist ebenso erwünscht, eine Motorsteuerung bereitzustellen, die die Motorgeschwindigkeit gemäß den Belastungsanforderungen steuern kann.
Zusammenfassung der Erfindung
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird eine Motorsteuerung für einen elektrischen Hochgeschwindigkeits-Gleichstrommotor bereitgestellt, die Folgendes umfasst: Sensoren zur Bestimmung der relativen Position des Rotors des Motors, Geschwindigkeitsberechnungsmittel zum Empfang der Positionssignale von den Sensoren und zur Berechnung der ungefähren relativen Position und Rotationsgeschwindigkeit des Rotors daraus, einen Fehlersignalgenerator zur Erzeugung eines Fehlersignals, das irgendeiner bestimmten Differenz zwischen einem Stellgeschwindigkeitssignal und dem aktuellen Geschwindigkeitssignal entspricht, einen Proportional-Integrator zum Empfang irgendeines Fehlersignals, die dadurch gekennzeichnet ist, dass ein Vektordreher vorgesehen ist, der aktuelle Geschwindigkeit- und Positionssignale vom Geschwindigkeitsberechnungsmittelempfängt, und dass der Proportional-Integrator ein erstes Signal (μ_q) erzeugt, das der vertikalen Komponente des Spannungsvektors entspricht, der benötigt wird, die Stellgeschwindigkeit zu erreichen, wobei dieses Signal dem Vektordreher eingespeist wird, um ein Ausgangssignal (V₁, V₂, V₃) zu erzeugen, und dass eine Leistungsstufe vorgesehen ist, um das Ausgangssignals des Vektordrehers dem Motor zuzuführen.
Die Steuerung dieser Erfindung ist insbesondere für die Verwendung hinsichtlich Hochgeschwindigkeits-Elektromotoren mit einer Statorwicklung, die eine geringe Induktivität aufweist, entwickelt worden, um so einen Wirkungsfaktor von nahezu eins im Bereich der Betriebsgeschwindigkeiten beizubehalten. Solch ein Elektromotor, wie er in der vorgenannten internationalen Patentanmeldung mit der Nr. PCT/AU98/00035 beschrieben ist, ist für die Verwendung in einem Kühlsystem entworfen worden, bei der die Rotationsgeschwindigkeit des Zentrifugalkompressors lastabhängig ist. Kühlsysteme laufen beständig unter weniger als Volllast für den größten Teil ihrer Betriebszeit. Die Steuerung der Erfindung gewährleistet, dass die Leistungsanforderungen des Motors eine maximale Effizienz über die gesamte Betriebsgeschwindigkeit des Kompressors ergeben. Dies wird durch die Steuerung erreicht, die einen Spannungsvektor in Reaktion auf die Sensoren erzeugt, um den Motorstrom im Wesentlichen in Phase mit der elektromotorischen Kraft (EMF) zu halten, bevor das Spannungslimit erreicht ist. Jeglicher weiterer Geschwindigkeitszuwachs, der erforderlich ist, nachdem das Spannungslimit erreicht ist, wird durch Drehen des Spannungsvektors erreicht, wobei die Amplitude konstant gehalten wird.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung bestimmen die Positionssensoren die Rotationsposition des Rotors and dessen momentane Drehgeschwindigkeit. Die momentanen Geschwindigkeitsbestimmungen können keine Beschleunigung zwischen den Sensorpositionen ermitteln, so dass die berechnete aktuelle Geschwindigkeit des Rotors ein gewisses Maß an Näherung beinhalten kann. Irgendeine Differenz jedoch zwischen der ermittelten Geschwindigkeit und der aktuellen Geschwindigkeit ist jedoch für die Zwecke der Geschwindigkeitsberechnung nicht von Bedeutung.
Die berechnete, aktuelle Geschwindigkeit wird mit einem Stellgeschwindigkeitssignal verglichen, um irgendeine Differenz zu bestimmen. Das Stellgeschwindigkeitssignal kann von einer Steuerschaltung für das Kühlsystem, die ein Geschwindigkeitssignal entsprechend der detektierten Systembeanspruchung erzeugt, herrühren.
Ein Vektordreher erzeugt Steuerspannungen, deren vertikale und horizontale Komponenten die Stellgeschwindigkeit wiedergeben, wie diese durch die Differenz zur ermittelten Geschwindigkeit modifiziert ist.
Bevorzugt ist ein bedingter Schalter in der Steuerung vorgesehen, so dass die Spannungsamplitude und der Spannungswinkel mit dem Stellgeschwindigkeitssignal angeglichen werden, um einen minimalen Strom beim gegebenen Ausgangsdrehmoment beizubehalten. Der bedingte Schalter legt in einer Stellung dem Vektordreher eine Funktion der aktuellem Rotorgeschwindigkeit als horizontale Komponente und der Belastungsanforderung als horizontale Komponente auf. Der Schalter nimmt die zweite Stellung ein, wenn die vertikale und horizontale Komponente des Spannungsvektors die Bedingung μ_q ² + μ_d ² = 1 erfüllen und Feldschwächung auftritt und wobei jeglicher weiterer Geschwindigkeitszuwachs dazu führt, dass der Vektordreher den Spannungsvektor mit der Amplitude des unveränderten Vektors dreht. Auf diese Weise wird der Wirkungsfaktor nahezu bei eins gehalten.
Die Sensoren, die die relative Position des Rotors bestimmen, umfassen drei Positionssensoren, die um 120° zueinander versetzt angeordnet sind. Da die Sensoren die momentane Position eines magnetischen Feldes messen, das sich mit dem Rotor dreht und da die Rotationsgeschwindigkeit zwischen den Sensoren abweichen kann, wird die aktuelle gemessene Rotorposition notwendigerweise aufgrund der möglichen Geschwindigkeitsänderungen zwischen den Sensorpositionen abgeschätzt. Bei Rotationsgeschwindigkeiten zwischen 20.000 U/min und 55.000 U/min kann jedoch die Abschätzung für die Zwecke der erfindungsgemäßen Steuerung unberücksichtigt bleiben.
Zum besseren Verständnis der Erfindung wird eine zugehörige Ausführungsform anhand der begleitenden Figur beschrieben.
Beschreibung der Figur
1 ist ein schematisches Blockdiagramm, das eine Form der erfindungsgemäßen Motorsteuerung erläutert.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
Die Motorsteuerung dieser Ausführungsform liegt in der Form einer Mikrosteuerung 11 zur Steuerung des Motors 12 durch eine Leistungsstufe 14 vor. Die Motorsteuerung ist schematisch in 1 dargestellt, wobei die Größen Folgendes bedeuten

ω: = aktuelle Geschwindigkeit
ω*: = Stellgeschwindigkeit
μ_q: = vertikale Komponente des Spannungsvektors
μ_d: = horizontale Komponente des Spannungsvektors
θ: = Rotorposition

Die relative Position und die ungefähre Geschwindigkeit des Rotors wird durch drei Positionssensoren 33 erfasst, die um den Rotor und jeweils um 120° zueinander beabstandet angeordnet sind. Die Positionssensoren 33 erzeugen drei Pulsfolgen, die in Phase mit der Rotorposition sind, und diese werden durch den Positions- und Geschwindigkeitsrechner 34 zur Berechnung der aktuellen Geschwindigkeit ω des Rotors und dessen Position θ zu gegebenem Zeitpunkt mit einem gewissen Grad von Näherung in Abhängigkeit davon, ob es zu einer Geschwindigkeitsänderung zwischen den Sensorpositionen gekommen ist oder nicht, berechnet. Die aktuelle Geschwindigkeit ω wird mit einer Stellgeschwindigkeit ω* durch den Fehlersignalgenerator 36 verglichen, um so eine beliebige Differenz zwischen der aktuellen Geschwindigkeit ω und der Stellgeschwindigkeit ω* zu ermitteln. Wird eine Differenz festgestellt, erzeugt der Fehlersignalgenerator 36 ein Fehlersignal e.
Das Fehlersignal e wird durch den Proportional-Integrator 37 zur Berechnung der vertikalen Komponente des Spannungsvektors μ_q verwendet, der zur Steuerung des Vektordrehers 31 verwendet wird. Der Vektordreher 31 empfängt ebenso das aktuelle Geschwindigkeitssignal ω sowie die Rotorposition θ vom Positions- und Geschwindigkeitsrechner 34. Der Vektordreher 31 erzeugt drei Steuerspannungen V1, V2 und V3, die eine Funktion des Spannungsvektors sind und die durch die Leistungsstufe 14 für die Zuführung zum Motor 12 verstärkt werden.
Die Mikrosteuerung 11 beinhaltet ebenso einen bedingten Schalter 39, der zwischen einer Stellung a und einer Stellung b schaltet. Der Schalter befindet sich in der a-Stellung, wenn gilt μ_q ² + μ_d ²< 1 und befindet sich in der b-Stellung, wenn gilt μ_q ² + μ_d ² = 1. Der Multiplikator 41 multipliziert einen Korrelationsfaktor K mit der aktuellen Rotorgeschwindigkeit ω, wie sie von dem Positions- and Geschwindigkeitsrechner 34 ermittelt wurde. Das Ergebnis dieser Berechnung, wenn der bedingte Schalter 39 in der a-Stellung ist, wird auf den Vektordreher 31 angewandt, um eine horizontale Komponente des Spannungsvektors zu ergeben. Auf diese Weise kann die Steuerung die Spannungsamplitude und – Winkel variieren, um diese an die Stellgeschwindigkeit ω* anzugleichen, um so den Strom für eine vorgegebene Drehmomentabgabe minimal zu halten, bevor das Spannungslimit erreicht ist.
Der Korrelationsfaktor K ist eine geschwindigkeitsbezogene Konstante und kann zwischen der Grundgeschwindigkeit und der Maximalgeschwindigkeit des Motors variieren. Der Faktor K wird durch Durchführung von Untersuchungen bei diversen Betriebsgeschwindigkeiten des Motors entwickelt, um den optimalen Wert des K für die Motorzustände bei diesen diversen Geschwindigkeiten zu bestimmen. Die Untersuchungsergebnisse werden zur Entwicklung einer Kurve, wie eines Polynoms, verwendet, die dann zur Bestimmung des Faktors K für eine vorgegebene Geschwindigkeit des Motors verwendet wird.
Der Schalter 39 wechselt zur b-Stellung, wenn die Bedingung μ_q ² + μ_d ² = 1 erfüllt ist. Wenn dieser Zustand auftritt, kommt es zur Feldschwächung und irgendein weiterer erforderlicher Geschwindigkeitszuwachs verursacht eine Drehung des Spannungsvektors. Die vertikale Komponente des Spannungsvektors, die durch den Proportional-Integrator 37 erzeugt wird, dem Rechner 42 auferlegt, der die horizontale Komponente μ_d wie folgt bestimmt:
Die Komponente μ_d wird dem Vektordreher 31 durch die b-Stellung des Schalters 39 angelegt. Der Vektordreher entwickelt die für die Leistungsstufe 14 notwendigen Spannungsvektoren.
In der bevorzugten Form der Erfindung ist die Mikrosteuerung 11, die in der dargestellten Ausführungsform verwendet wird ein digital Signalprozessor von Analog Devices mit der Bezeichnung AD MC 330. Natürlich können andere Prozessoren zur Verwirklichung dieser Erfindung verwendet werden.
Die Motorsteuerung der Erfindung gestattet die Verwendung der vertikalen und horizontalen Komponenten des Spannungsvektors zur Steuerung der Motorgeschwindigkeit, und bei maximaler Geschwindigkeit, wenn ein weiterer Geschwindigkeitszuwachs erforderlich ist, kommt es zur Feldschwächung, was zur Drehung des Spannungsvektors führt.

Claims

Motorsteuerung für einen elektrischen Hochgeschwindigkeits-Gleichstrommotor (12), die Folgendes umfasst: Sensoren (33) zur Bestimmung der relativen Position des Rotors des Motors, Geschwindigkeitsberechnungsmittel (34) zum Empfang der Positionssignale von den Sensoren und zur Berechnung der ungefähren relativen Position und Rotationsgeschwindigkeit des Rotors daraus, einen Fehlersignalgenerator (36) zu einer Erzeugung eines Fehlersignals, das irgendeiner bestimmten Differenz zwischen einem Stellgeschwindigkeitssignal und dem aktuellen Geschwindigkeitssignal entspricht, einem Proportional-Integrator zum Empfang irgendeines Fehlersignals, die dadurch gekennzeichnet ist, dass ein Vektordreher (31) vorgesehen ist, der aktuelle Geschwindigkeit- und Positionssignale vom Geschwindigkeitsberechnungsmittel empfängt, und dass der Proportional-Integrator (37) ein erstes Signal (μ_q) erzeugt, das der vertikalen Komponente des Spannungsvektors entspricht, der benötigt wird, die Stellgeschwindigkeit zu erreichen, wobei dieses Signal dem Vektordreher (31) eingespeist wird, um ein Ausgangssignal (V₁, V₂, V₃) zu erzeugen, und dass eine Leistungsstufe (14) vorgesehen ist, um das Ausgangssignals des Vektordrehers dem Motor (12) zuzuführen.
Steuerung gemäß Anspruch 1, wobei die genannten Sensoren (33), die die relative Position des Rotors bestimmen, drei Positionssensoren (33) umfassen, die um 120° zueinander versetzt um den Rotor angeordnet sind.
Steuerung gemäß Anspruch 2, wobei die Sensoren (33) die momentane Position eines mit dem Rotator mitdrehenden magnetischen Feldes bestimmen und drei, mit der Rotorposition gleichphasige Pulsfolgen generieren, die von einem Positions- und Geschwindigkeitsrechner benutzt werden, die aktuelle Geschwindigkeit ω und dessen ungefähre Position θ in Abhängigkeit, ob einer Geschwindigkeitsänderung zwischen den Sensorpositionen (33) aufgetreten ist oder nicht, zu berechnen.
Steuerung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, welche ferner einen bedingten Schalter (39 aufweist, der ein weiteres Eingangssignal für den Vektordreher (31) bereitstellt, wobei dieses Eingangssignal entweder eine Funktion der aktuellen Geschwindigkeit des Motors (12), wie durch die Sensoren bestimmt, ist oder eine Funktion des ersten Signals ist.
Steuerung gemäß Anspruch 4, wobei, wenn der Schalter sich in einer ersten Stellung befindet, dieser ein Ausgangssignals von einem Multiplikator empfängt, welcher einen Korrelationsfaktor K mit der aktuellen Geschwindigkeit multipliziert, um das weitere Eingangssignal für den Vektordreher zu erzeugen.
Steuerung gemäß Anspruch 5, wobei der Schalter von der ersten Stellung in eine zweite Stellung wechselt, wenn eine vorgegebene Maximalspannung erreicht ist, und wobei in der zweiten Stellung Feldschwächung eintritt und wobei jeglicher erforderlicher Geschwindigkeitszuwachs den Vektordreher zu Rotation bringt.
Steuerung gemäß Anspruch 6, wobei, wenn der Schalter sich in der zweiten Stellung befindet, das erste Signal, das durch den Proportional-Integrator (37) erzeugt wird, an einen Rechner (42) angelegt wird, der die horizontale Spannungskomponente μ_d wie folgt bestimmt:
wobei: μ_q = die vertikale Komponente des Spannungsvektors, und μ_d = die horizontale Komponente des Spannungsvektors sind.