SE463062B - Styranordning foer en reluktansmotor daer spaenningssaettningen av lindningarna tidigerelaeggs i beroende av stroemmen - Google Patents

Description

463 G62 momentkrav styr tidpunkten för den tidigarelagda inkopplingen av ett statorpol- par. Föredragna utföringsformer framgår av tillhörande underkrav.

Uppfinningen skall nu beskrivas i detalj i anslutning till ett utföringsexem- pel under hänvisning till bifogade ritningar, på vilka fig. 1 schematiskt visar en med fyra stator- och två rotorpoler försedd reluktansmotor. Fig. 2 visar schematiskt magnetflödesriktningarna i motorn enligt fig. 1. Fig. 3 visar ett blockschema över en styranordning för motorn enligt fig. 1. Fig. 4a, b, c är identiska kopplingscheman för olika driftssituationer gällande den del av styr- anordningen som tillför ström till motorns statorpollindningar. Fig. 5 är ett kopplingsschema över en i styranordningen ingående nätdel. Fig. 6 är ett kopp- lingsschema över kretsar för strömavkänning respektive för generering av en strömgränssignal. Fig. 7 är ett principdiagram som visar genereringen av en rotorpositionssignal. Fig. 8 är ett kopplingsschema över kretsar för att åstad- komma en på rotorpositionssignalen baserad sågtandspänning. Fig. 9 är ett dia- gram över samhörande vågformer som illustrerar hur tidigarelagd inkoppling respektive frånkoppling av ett statorpolpar åstadkommes. Fig. 10 visar ett krets- schema över i styranordningen ingående logik vilken med utgångspunkt från olika inparametrar genererar drivsignaler för motorn. Fig. ll visar ett krets- schema för i styranordningen ingående reglerkretsar för styrning av motorns hastighet. Fig. l2a och l2b visar kretsscheman för styranordningens drivslutsteg.

Fig. 13, slutligen, är ett tidsdiagram som visar vågformerna för olika i styranord- ningen uppträdande signaler.

I det utföringsexempel som nu skall beskrivas erhålles genom samman- läggning av fig. 4a, 5, 6, 8, 10, ll, l2a och lZb ett komplett schema för en styr- anordning för styrning av en med fyra statorpoler och två rotorpoler utförd reluktansmotor. En allmän, kortfattad beskrivning av de många funktionsblocken kommer att ges bl.a. med hänvisning till fig. 3. Dessutom kommer en mer detal- jerad beskrivning att ges av de funktionsblock som har samband med tidigare- läggningen av inkoppling respektive frånkoppling at statorpollindningarna.

Den motor vid vilken uppfinningen skall tillämpas visas schematiskt i fig. 1. En stator 10 har fyra poler lla, b; l2a, b som är så anordnade att de bildar ett kors. Polerna är utförda med lindningar l3a, b; l4a, b vilka är så kopp- lade att de arbetar parvis och då genererar samverkande magnetiska fält. En rotor 15 är anordnad att rotera i luftgapet mellan statorpolerna och är utförd med två poler 16a, b; l7a, b vilka är diametralt motsatt belägna. Poldelarna 16a, l7a har en periferiell utsträckning som helt överensstämmer med motsvarande D 2. i u *n °'LJ ( 3 - Lz UU utsträckning hos statorpolerna. Poldelarna 16b, 17b har en utsträckning som när poldelarna l6a, 17a befinner sig mittemot polerna i det ena statorpolparet fyller utrymmet till polerna i det andra statorpolparet i rotationsriktningen sett. Poldelarna 16b, 17b är dessutom utförda med större luftgap till stator- polerna och kallas i det följande för startpoler. Dessa startpoler tillförsäkrar att moment kan genereras i alla positioner för rotorn. Som angivits ovan medför dock utformningen av rotorn att denna kan rotera endast åt ett håll.

För att driva rotorn runt magnetiseras statorpolparen lla, b respektive l2a, b växelvis och därvid åstadkommes att rotorpolerna växelvis linjerar med respektive statorpolpar. I fig. 2 visas schematiskt med flödespilar 18, 19 flödes- riktningarna vid magnetisering av statorpolparen l2a, b respektive lla, b. För att få rotorn att fullborda ett varv är det inte nödvändigt att varannan gång omkasta magnetiseringsriktningen. Magnetfältets riktning i respektive stator- polpar saknar således betydelse vilket förenklar uppbyggnaden av den för motorn anordnade styranordningen. Denna återges i blockform i fig. 3 och de olika funk- tionsblocken skall här omnämnas kortfattat. Motorn representeras i schemat av ett block 20. För att indikera när rotorn linjerar med endera statorpolparet är en rotorpositionssensor anordnad. Denna ger i princip en signal som styr om- koppling från det ena statorpolparet till det andra. Sensorn återfinnes i ett block 21. Sensorn är av ett slag som genererar en fyrkantformad utspänning men ger endast information om när rotorpoler och statorpoler linjerar med varandra. För att få en uppfattning om rotorns momentana position i mellan- liggande områden av rotationsrörselsen matas sensorsignalen till ett block 22 som genererar en sågtandformad spänning. Denna spänning matas till ett block 23 i vilket genereras en hastighetssignal som utgör ett mått på rotorns aktuella hastighet.

För att möjliggöra inställning och reglering av önskad motorhastighet finns ett block 24 anordnat som representerar en hastighetsväljare liksom ett block 25 i vilket en reglersignal skapas. För detta ändamål jämföres i blocket 25 en storhet representerande aktuell hastighet från blocket 23 med en storhet representerande inställd hastighet från blocket 24. Reglersignalen från blocket 25 matas till ett block 26 innehållande logiska kretsar. Styrsignaler från blocket 26 leds till drivkretsar i ett block 27 vilket i sin tur förser motor- lindningarna i blocket 20 med drivspänning.

Strömmen genom motorlindningarna avkänns i ett block 28 och en ström- parameter genereras som leds till ett block 29 för generering av ett strömgräns- värde som tillförs logikblocket 26. Strömparametern från blocket 28 förs även till ett block 30 i vilket en storhet genereras som representerar strömmens 6 3 0 6 2 momentana storlek. Denna strömberoende storhet förs till ett block 31 avsett för generering av styrsignaler till styrlogiken i blocket 26. I blocket 31 bestäms hur stor tidigareläggning av inkopplingen av ett statorpolpar skall vara med hänsyn till den momentana strömmens storlek. Det kompletta schemat innefattar även en strömförsörjningsdel som i fig. 3 representeras av ett block 32..

De olika blocken i blockschemat i fig. 3 skall nu beskrivas mer i detalj med hänvisning till de figurer som visar delar av det praktiska kretsschemat.

Blocket 20 motsvaras sålunda av fig. 4a, b, c som återger statorpollindning- arna l4a, b respektive 13a, b med tillhörande transistoromkopplare 33, 34 re- spektive 35, 36. Fig. 4a visar hur ström matas in i lindningarna l4a, b genom att båda omkopplarna 33, 34 är tillslagna. Beroende på hastigheten kommer transistorerna 34 respektive 36 att till- och frånkopplas med en bestämd frekvens med variabel duty-cycle. Under transistorns 34 frånkopplingsperiod kommer som fig. 4b visar en ström att gå genom en diod 37 som på vanligt sätt är parallellkopplad med den av transistorn 33 och motorlindningarna l4a, b bildade seriekopplingen. En diod 38 är på samma sätt inkopplad till transistorn 35 och lindningarna 13a, b. Som illustreras i fig. 4c kommer när även transistorn 33 är frånslagen en avmagnetiseringsström att gå via en diod 39, lindningarna l4a, b och dioden 37 tillbaka till den matande spänningskällan. Detta innebär att energi återmatas till denna. En diod 40 är på samma sätt som dioden 39 kopplad till lindningarna 13a, b.

Blocket 32 i fig. 3 motsvaras av fig. 5 men kommer inte att kommenteras närmare. Det skall endast nämnas att den beskrivna motorn i första hand är tänkt för batterimatning men att den likaväl kan utföras för att matas från nätet via likriktare.

Blocken 28, 29 och 30 i fig. 3 motsvaras av fig. 6 i vilken motorströmmen avkännes via ett seriemotstånd 4l. Spänningsfallet över detta förs till en ingång på en komparator 42,, vars andra ingång har en referensspänning motsvarande önskad strömgräns där motorn skall styras ned så att strömmen minskar. Ström- gränsutsignalen från anordningen uppträder på en terminal 43. Kretsen i fig. 6 generar även strömsignalen i block 30 (fig. 3) och spänningen över motståndet 41 leds därför till en förstärkare 44 där den förstärks och därefter filtreras i ett av ett motstånd 45 och en kondensator 46 bestående filter. Strömsignalen upp- träder därefter på en terminal 47.

Blocket Zl i fig. 3 motsvaras av fig. 8 som vad gäller funktionen samläses med fig. 7. Rotorns position avkännes av en icke närmare beskriven sensor av magnetisk typ vilken är betecknad X1 i fig. 8. I fig. 7 visas kurvformen för sensorns utsignal på terminalen Xlz2 i fig. 8. Utsignalen är en rektangelvåg 116 ”_62 NJ NJ med två kompletta perioder per varv för rotorn, dvs. en komplett period per rotorpol. Den i fig. 7 visade rotorpositionen där startpolen just skall röra sig in över statorpolen svarar mot den markerade punkten i diagrammet för sensor- utsignalen som visar att denna signal går hög. Den förblir hög till dess rotorpolen helt lämnat området för statorpolen och går då låg till dess en rotorpol på nytt rör sig in över en statorpol. Sensorutsignalen ger endast information om när en rotorpol når en statorpol respektive när den lämnar rotorpolen, dvs. vid signa- lens positiva och negativa flanker. Det är emellertid nödvändigt att i varje ögonblick exakt känna till rotorns position och för detta ändamål skapas en sågtandformad signal med en periodtid som uppgår till tiden för en positiv eller negativ halvperiod hos sensorutsignalen. Denna sågtandformade signal återges i fig. 7. Rent praktiskt skapas den sistnämda signalen med hjälp av de i fig. 8 visade komponenterna omfattande en flankdetektor 48, en dubbel monostabil multivibrator 49 och en integrator 50. Sensorutsignalen förs till flankdetek- torn 48 som avger en kort puls varje gång en flank, positiv eller negativ uppträder i signalen. På utgången 49:10 uppträder en puls varje gång sensorn ändrar tillstånd. Denna puls filtreras i ett motstånd 51 och en kondensator 52 så att ett medelvärde bildas, hastighetssignalen. Denna uppträder på en termi- nal 53 fig. 8. Sågtandsignalen genereras i integratorn 50 som från utgången 49:6 på kretsen 49 erhåller en positiv puls varje gång sensorn ändrar tillstånd. Inversen för denna puls erhålles från utgången 49:? på lxetsen. Sågtandsignalen uppträder på utgången 50:1 och sjunker linjärt från ett högt initialvärde med en hastighet som är proportionell mot hastighetessignalen. Signalens lägsta nivå är alltid densamma oberoende av hastigheten. När den magnetiska sensorn ånyo ändrar tillstånd tvingas sågtandsignalen tillbaka till den höga startnivån. Detta inträffar när utgången 49:6 går hög samtidigt som utgången 49:? går låg.

För att uppnå optimala prestanda ur den beskrivna reluktansmotorn skall omkopplingen mellan de båda statorpolparen ske innan den magnetiska sensorn indikerar detta. Det tidigarelagda tillslaget av det icke aktiverade statorpolparet kallas i det följande förtändning medan ett tidigarelagt frånslag kallas förav- stängning. I fig. 3 åstadkommes förtändning och föravstängning i block 31 och i det praktiska schemat har motsvarande kretsar samlats i fig. 10. Beträffande funktionen hänvisas även till diagrammet i fig. 9. Ur detta diagram kan man erhålla en schematisk bild av hur förtändning respektive föravstängning åstad- kommes. Det skall nämnas att det endast är förtändningen som är styrd av den momentana strömmens storlek. Föravstängningen är fast, dvs. frånkoppling sker vid en förutbestämd tidpunkt. Föravstängningen är avsett att lösa problemet med att vid frånkoppling av ett statorpolpar den magnetiska energin inte av- 062 6 klingar momentant utan att kvarstående magnetisering kan skapa ett icke önsk- värt bromsande moment. Överst i diagrammet visas vågformen för signalen från den magetiska rotorpositionssensorn. Därunder visas de pulser som genereras när sensorsignalen ändrar nivå. Den tredje vågformen utgörs av sågtandsignalen och där har inritats två nivåer, en svarande mot önskad förtändning och den andra svarande mot önskad föravstängning. De två återstående vågformerna representerar vågformerna för spänningen till lindningarna i respektive stator- polpar, här kallade FAS 1 respektive FAS 2. Om det antages att FAS 2 är akti- verad, dvs. spänningen är påkopplad, så kan man ur diagrammet utläsa att FAS 2 urkopplas när sågtandsrampen nått föravstängningsnivån, varefter spänningen påkopplas i FAS 1 när rampen nått förtändningsnivån.

Med hänvisning till fig. 10 är en potentiometer 54 anordnad med vars hjälp önskad föravstängningsvinkel kan ställas in. Spänningen från potentiometern jämföres i en komparator 55 med sågtandspänningen från utgången 50:1, fig. 8, och digitaliseras. Motsvarande utsignal uppträder på utgången 55:2. Förtänd- ningsvinkeln är beroende av strömsignalen från terminalen 47 i fig. 6 som via en potentiometer 56 leds till en komparator 57, där jämförelse sker med sågtand- signalen och där en digital utsignal uppträder på utgången 57:13. Vid start och låg hastighet förekommer varken förtändning eller föravstängning. En spän- ningsdelare bestående av två motstånd 58, 59 bestämmer nivån på hastighets- signalen under vilken förtändnings- respektive föravstängningssignalerna skall inhiberas. Jämförelse sker därvid i två komparatorer 60 respektive 61 och mot- svarande utsignaler uppträder på utgångarna 60:14 och 61:1. Signalen från den magnetiska sensorn grindas i ett grindnät 62 samman med förtändningssignalen och föravstängningssignalen och i två grindar 63, 64 tillförs strömgränssignalen från terminalen 43 i fig. 6. Styrsignalerna är därmed i huvudsak färdigkompo- nerade men hastighetsregleringsblocket 25 i fig. 3 har ännu ej behandlats. För detta ändamål hänvisas till fig. 11 som visar en kretsanordning där önskad motor- hastighet inställes med en potentiometer 65. Potentiometerspänningen jämföres i en ID-regulator 66 med hastighetssignalen och utgångssignalen jämföres i en komparator 67 med en sågtandspänning från en oscillator 68. Ju högre ut- signalen från regulatorn 66 är desto större duty-cycle får utsignalen (67:l) från komparatorn 67. Denna hastighetsreglersignal leds till två grindar 69, 70 och grindas här samman med utsignalerna från grindarna 63, 64. Alla erforderliga styrsignaler har därmed framställts och utsignalerna från grindarna 69, 70 leds till terminaler 79, 80 på två drivkretsar 71, 72 visade i fig. 12a, b och är avsedda att via utgångsterminaler 81, 84 styra transistorerna 34 respektive 36 i fig. 4a.

Styrsignaler för transistorerna 33 och 35 härleds från grindnätet 62 och uppträder L? 7 nr: ntfl '-|~\__ \_I \J\J¿- på ingångarna 63:1 respektive 6fl:8. Signalerna leds till terminalerna 74 respek- tive 73 i fig. l2b. Dessa terminaler utgör ingångar till drivkretsar 75, 76 avsedda att på utgångsterminaler 89, 90 generera drivsignaler till de nämnda transistor- erna 34 och 36 i fig. 4a. Drivkretsarna är via andra terminaler 77, 78 anslutna till de i fig. 4a visade kretsarna liksom via en terminal 83 ansluten till ström- försörjningsenheten (fig. 5).

Som framgått ovan har endast en översiktlig genomgång av det på ritning- arna återgivna praktiska kopplingsschemat givits. Väsentliga funktionsblock har behandlats men allmänt brukade kopplingstekniska detaljlösningar har inte beskrivits i detalj. Till ledning för förståelsen av funktionen hos den beskrivna motorstyranordningen hänvisas till fig. 13 som är ett tidsdiagram för olika signaler som uppträder i styranordningens olika funktionsblock. I diagrammet framgår i vilka punkter i kopplingsschemat de olika signalerna uppträder. Med början uppifrån åskådliggäres signalen från rotorpositionssensorn. Sedan följer signalen från flankdetektorn 48. De följande två kurvformerna gäller två ut- signaler från den dubbla multivibratorn 49. Därefter följer sågtandsignalen från integratorn 50 och hastighetssignalen som bl.a. uppträder på ingången 60:9 till komparatorn 60. Kurvformen för motorns medelström följer sedan liksom signalerna för förtändning liksom föravstängning. Kurvformerna för de slutliga styrsignalerna från styrlogiken visas sedan och är benämnda FAS 1 respektive FAS 2. Slutligen visas oscillatorutsignalen på utgången 67:6, utsignalen på ut- gången 66:? på regulatorn 66 och hastighetsreglersignalen på utgången 67:l på komparatorn 67.

Claims (4)

i; 6 0 6 2 Patentkrav

1. Styranordning för en reluktansmotor som innefattar med lindningar (l3a,b;l4a,b) utförda, parvis samverkande statorpoler (lla,b;l2a,b) liksom en av mjukmagnetiskt material bestående rotor (15) som är utförd med minst två diametralt motsatt belägna poler (l6a,b;l7a,b), varvid motorn styrs av en givare (X1) som varje gång en rotorpol står i begrepp att inträda över en statorpol genererar en ramp av en första polaritet och när rotorpolen lämnar statorpolen genererar en ramp av en andra polaritet, motsatt den första, varjämte elektro- niska strömställarorgan (33,34;35,36) är inrättade att i beroende av den första rampen spänningssätta lindningarna i ett statorpolpar (12a,b) och i beroende av den andra rampen frånkoppla spänningen till det nämnda statorpolparet (12a,b) och ansluta spänning till nästföljande statorpolpar (11a,b), k ä n n e t e c k- n a d d ä r a v, att första organ (28,30) är inrättade att generera en mot motorns g ström svarande parameter och att andra organ (31) är inrättade att i beroende av den nämnda parametern generera en signal som medför en tidigareläggning av tidpunkten för spänningssättning av lindningarna i respektive statorpolpar så att tidigareläggningen ökar med ökad ström.

2. Anordning enligt patentkravet 1, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v, att givarsignalen har formen av en rektangelvåg vars ramper styr en sågtandgenera- tor (50) vilken genererar en fallande ramp vars lutning svarar mot motorns hastighet, varvid första jämförande organ (57) är inrättade att jämföra den fallande rampsignalen med den spänningsnivå som bestäms av den strömberoende parametern för att generera den tidigarelagda spänningssättningssignalen.

3. Anordning enligt patentkravet 2, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v, att motorn omfattar en stator (10) med fyra korsvis belägna poler (lla,b;l2a,b) liksom en rotor (15) med två diametralt motsatt belägna poler (l6a,b;l7a,b), varvid varje rotorpol har en första del (l6a,17a) med en periferiell utsträckning som överensstämmer med motsvarande utsträckning hos statorpolerna samt en andra del (l6b,l7b) med en utsträckning som när den första delen (l6a,17a) helt sammanfaller med statorpolen (12a,b) utfyller mellanrummet till polen (l1a,b) i det andra statorpolparet i rotationsriktningen sett, varjämte den andra delen (l6b,l7b) är utförd med större luftgap till statorpolerna än den första delen.

4. Anordning enligt något av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v, att organ (58,59,60) är inrättade att inhibera signalerna för tidigare- läggning av tidpunkten för spänningssättning av lindningarna vid start av motorn liksom vid låga motorhastigheter.