SE463899B - Anordning foer styrning av en reluktansmotor - Google Patents

Description

463 899 konstant och reglering av hastigheten sker medelst styrning av tändvinkeln.

I det höga hastighetsområdet (3000-4000 rpm) arbetar motorn utan yttre styrning med fasta tändvinklar.

För hastighetsreglering är det vanligt att man kombinerar strömstyrning i det låga varvtalsområdet med tändvinkelstyrning i det medelhöga området.

Emellertid leder strömstyrningen till hög ljudnivå hos motorn liksom till att denna får låg verkningsgrad.

Det är sålunda ett annat ändamål med uppfinningen att undvika strömstyrning i det låga varvtalsområdet och ersätta denna med tändvinkelstyrning inom åtminstone en del av det låga området.

De angivna ändamålen uppnås vid en reluktansmotor som uppvisar de i patentkravet ll angivna särdragen. Föredragna utföringsformer framgår av till- hörande underkrav.

Uppfinning skall nu beskrivas mer i detalj i anslutning till några utförings- exempel under hänvisning till bifogade ritningar.

Fig. l visar schematiskt en med fyra stator- och två rotorpoler försedd reluktansmotor.

Fig. 2 visar schematiskt magnetflödesriktningarna i motorn enligt fig. 1.

Fig. 3 är ett kopplingsschema för ett effektsteg för matning av en motor- nnaning.

Fig. 4 är ett kopplingsschema för en logisk kretsanordning för en motorfas (ett statorpolpar) utan återkoppling.

Fig. 5 är ett diagram över i kretsen enligt fig. 4 förekommande vågformer.

Fig. 5A visar två diagram över strömmen i motorn som funktion av rotorns vridningsläge, dels i ett känt utförande, dels i ett utförande enligt uppfinningen.

Fig. 6 är ett kopplingsschema för en logisk kretsanordning med återkoppling på tillslag.

Fig. 7 är ett kopplingsschema för en logisk kretsanordning med återkoppling som styr tidpunkten för frånslag av den av strömställarna i fig. 3 som skall frånkopplas först (Tl).

Fig. 8, slutligen, är ett kopplingsschema för en logisk kretsanordning med återkoppling för styrning av tidpunkten för tillslag av strömställarna enligt fig. 3, där frånkoppling av den första av strömställarna (Tl) sker vid en förutbe- stämd rotorposition och där vinkeln mellan rotorpositionen för tillslag och rotor- positionen för frånslag av den andra strömställaren (T2) är konstant.

Efterföljande detaljbeskrivning av några utföringsexempel kommer att ske i anslutning till en reluktansmotor av tvåfastyp. Denna innefattar en stator 10 som har fyra poler ll, 12, 13, 14 som är så anordnade att de bildar »n 463 899 ett kors. Polerna är utförda med lindningar l5a, b; 16a, b vilka är så kopplade att de arbetar parvê h då genererar samverkande magnetiska fält. En rotor 17 av mjukmagnetiskt terial är anordnad att rotera i luftgapet mellan stator- polerna och är utförd med två poler l8a, b; l9a, b vilka är diametralt motsatt belägna. Poldelarna l8a, l9a har en periferiell utsträckning som helt överens- stämmer med motsvarande utsträckning hos statorpolerna. Poldelarna l8b, l9b har en utsträckning som när poldelarna l8a, l9a befinner sig mitt emot polerna i det ena statorpolparet fyller utrymmet till polerna i det andra statorpolparet i rotationsriktningen sett. Poldelarna l8b, l9b är dessutom utförda med större luftgap till statorpolerna och kallas i det följande för startpoler. Dessa startpoler tillförsäkrar att moment kan genereras i alla positioner för rotorn. En nackdel är dock att den beskrivna utformningen av rotorn medger rotation endast åt ett håll.

För att driva rotorn runt magnetiseras statorpolparen ll, 12 resp. 13, 14 växelvis och därvid åstadkommes att rotorpolerna växelvis linjerar med respek- tive statorpolpanl fig. 2 visas schematiskt med flödespilar 20, 2l flödesrikt- ningarna vid magnetisering av statorpolparen 13,14 resp. 11,12. För att få rotorn att fullborda ett varv är det inte nödvändigt att varannan gång omkasta magnetiseringsriktningen. Magnetfältets riktning i resp. statorpolpar saknar således betydelse vilket förenklar uppbyggnaden av en för motorn anordnad styranordning, ej närmare beskriven i detta sammanhang.

För att indikera när rotorn linjerar med endera statorpolparet är en rotor- positionssensor anordnad. Denna ger i princip en signal som styr omkoppling från det ena statorpolparet till det andra. Sensorn, som är av känt slag och inte närmare återgiven på ritningarna, är så utförd att den genererar en fyrkant- formad utspänning som visas i den översta raden i diagrammet i fig. 5. Sensorn ger emellertid endast besket. om när rotorpoler och statorpoler linjerar och vill man få en uppfattning om rotorrörelsen även i övriga delar av varvet får man vidta särskilda åtgärder. I exemplet löses problemet på samma sätt som beskrivits i den ovan angivna svenska patentansökan 8900408-9, nämligen genom generering av en sågtandformad spänning som återställs av givarsignalen när denna har en positiv flank. Detta illustreras i rad 2 i diagrammet ifig. 5.

I det följande skall beskrivas ett slutsteg avsett för matning av de två lindningarna i en fas, exempelvis lindningarna 16a, b i fig. 1. Lindningarna är parallellt anslutna mellan emittern på en övre transistor Tl och kollektorn på en nedre transistor TZ. Transistorerna är visade i bipolärt utförande men även andra switchar kan användas, exempelvis fälteffekttransistorer av MOS-typ.

Kollektorn på transistorn Tl är ansluten till den positiva polen på en likspän- ningskälla medan emittern på transistorn TZ är ansluten till spänningskällans 463 899 negativa pol. En reservoarkondensator C är på vanligt sätt kopplad över spän- ningskällans poler. Dessutom är frihjulningsdioder Dl, D2 anslutna mellan emit- tern på transistorn T1 och den negativa polen resp. mellan kollektorn på tran- sistorn T2 och den positiva polen. Dessa frihjulningsdioder har till syfte att medge fortsatt strömflöde genom motorlindningarna även sedan resp. transistor öppnat så att strömmen kan avklinga utan att ge upphov till spänningstransienter.

Traditionellt till- resp. frånkopplas transistorswitcharna Tl och T2 sam- tidigt men man har nu funnit att om switcharna frånkopplas vid olika tidpunkter stora fördelar kan uppnås. Man kan sålunda minimera järnförlusterna genom att minimera statorbasflödet och detta åstadkommes genom att den i lindningen upplagrade strömmen tillåts frihjula en viss tid innan återmatning påbörjas av energi till spänningskällan. Under frihjulningsförloppet genereras moment och kopparförluster i normal omfattning men endast små järnförluster då flödet i basjärnet är konstant vid spänningen noll. En liten spänning uppstår p.g.a. det resistiva spänningsfallet i lindningarna så att en liten flödesvariation uppkommer med åtföljande järnförluster i basjärnet. Dessa är dock mycket små. Lokalt i polerna fås järnförluster i normal omfattning men dessa förluster är begränsade på grund av den begränsade järnvolymen i polerna i förhållande till basjärnets volym.

För att kunna styra till- och frånkopplíngen av transistorswitcharna oberoende av varandra är resp. bas på transistorerna Tl och T2 via ledare 22, 23 förbunden med en drívkrets 24 resp. 25 som i sin tur via resp. ledare 26, 27 är kopplad till en som demultiplexer kopplad multiplexerkrets 28, exempelvis av typen HEF 4953 B. lnsignaler till kretsen 28 uppträder på terminaler 29, 30, 31 och 32. På terminalen 29 uppträder sensorsignalen från den icke visade sensorn som har den kurvform som återges i översta raden i fig. 5. På terminalen 30 är en styrsignal TRl ansluten som styr till- och frånslag för transistorn Tl.

På motsvarande sätt är till terminalen 31 ansluten en styrsignal TR2 som styr till- och frånslag för transistorn T2. Terminalen 32, slutligen, utnyttjas för anslutning av en styrsignal som utgör ett mått på motorns hastighet och som vid start liksom vid låg hastighet låter sensorsignalen ensam styra till- och frånkoppling av transistorna Tl och T2, vilka sålunda både till-och frånkopplas vid samma tidpunkter. Styrsignalen på terminalen 32 genereras i en kompara- tor 33 med hysteresfunktion genom att en utifrån sensorsignalen härledd hastig- hetssignal (är-värde) jämföres med ett medelst en potentiometer 34 inställbart referensvärde. Ovanför det låga hastighetsområdet styrs till- och frånkoppling av transistorerna Tl och T2 under inverkan av styrsignalerna TRl och TR2, ' -l-'l 463 899 vilket innebär samtidig tillkoppling av transistorerna men frånkoppling av dessa vid olika tidpunkter så att T1 bortkopplas först medan T2 fortsätter att leda under en förutbestämd tid innan även denna transistor frånkopplas.

Som brukligt vid reluktansmotorer av det beskrivna slaget sker inte tillslag av transistorswitcharna Tl och T2 när sensorsignalen indikerar att stator- och rotorpoler i ett polpar linjerar utan en förutbestämd vridningsvinkel för rotorn innan denna position. Detta beskrives mer i detalj i den ovannämnda svenska patentansökan 8900408-9 och har till syfte att tillåta att vid högre motorhastig- heter magnetfältet får tillräcklig tid att byggas upp så att erforderligt moment kan genereras. Styrsignalerna TRl och TR2 innehåller information om lämplig s.k. förtändning medan signalen TRl dessutom innehåller information om från- slagstidpunkten för transistorn Tl och signalen TRZ innehåller information om frånslagstidpunkten för transistorn T2.

I det följande skall med hänvisning till figurerna 4 och 5 ett första ut- förande av uppfinnignen beskrivas. Fig. 4 återger schematiskt en koppling i form av ett blockschema. Uppgiften för kopplingen är att med utgångspunkt från sensorsignalen, se fig. 5, rad 1, och med hjälp av tre inställbara referens- nivåer åstadkomma styrsignalerna TRl och TRZ i fig. 3.

Sensorsignalen leds till en F/V-omvandlare 54 som genererar en mot frekvensen hos sensorsignalen svarande spänning vilken uppträder på en ter- minal 35. Denna spänning utgör ett mått på motorns momentana hastighet och utgör sålunda en hastighetssignal, i fig. 4 benämnd HAST. Spänningen leds även till en rampgenerator 36 som alstrar en ramp med ett utseende som framgår i rad 2 i diagrammet i fig. 5. Som likaledes framgår i diagrammet startar en positiv flank hos sensorsignalen rampgeneratorn medan nästföljande positiva flank återställer signalen till startnivån. För detta ändamål är sensorsignalen via en ledare 37 ansluten till en RESET-ingång på rampgeneratorn.

Utsignalen från rampgeneratorn 36 leds till tre komparatorer 38, 39, 40.

Komparatorn 38 är vidare ansluten till en potentiometer 41 med vars hjälp nivån för tillslag av transistorerna Tl och T2 bestäms. Komparatorn 39 är på mot- svarande sätt ansluten till en potentiometer 42 med vars hjälp en nivå kan in- ställas som utnyttjas för frånslag av transistorn Tl. Komparatorn 40, slutligen, är ansluten till en potentiometer 43 vilken utnyttjas för inställning av en nivå vid vilken transistorn T2 skall frånkopplas. De tre olika nivåerna finns återgivna på raderna 3-5 i diagrammet i fig. 5. Utsignalerna från komparatorerna leds till två vippor 44, 45 på vars utgångar styrsignalerna TRl och TR2 uppträder.

Komparatorn 38 är sålunda via en ledare 46 ansluten till SET-ingången på vippan 44 liksom via en ledare 47 till SET-ingången på vippan 45. Komparatorn 39 463 899 är via en ledare 48 ansluten till RESET-ingången på vippan 44 och på samma sätt är komparatorn 40 via en ledare 49 ansluten till RESET-ingången till vippan 45.

Den i fig. 4 visade kopplingen arbetar utan återkoppling och fungerar på följande sätt. När motorn startat uppträder sensorsignalen med utseendet enligt rad l i fig. 5 på ingången till F/V-omvandlaren 54. När sensorsignalen går hög startas rampgeneratorn 36 och dess utspänning stiger enligt kurvformen i rad 2 i fig. 5. I rad 3 i diagrammet återges tillslagsnivån för transistorerna Tl och T2 i fig. 3 som inställts med potentiometern 41. När utsignalen från rampgeneratorn når denna nivå slår komparatorn 38 om och sätter vipporna 44 och 45 så att styrsignalerna TRl och TR2 uppträder på terminalerna 30 och 31 på multiplexerkretsen 28. Via transistordrivkretsarna 24 och 25 ges därvid basström till transistorerna Tl och T2 så att dessa börjar leda och tillhörande statorpolpar aktiveras. Den med potentiometern 41 inställda nivån utgör ett mått på den valda förtändningen vilken är fast.

Utspänningen från rampgeneratorn fortsätter att stiga och når efter hand nivån för frånslag av transistorn Tl vilken inställts med potentiometern 42.

Detta medför att komparatorn 39 slår om och återställer vippan 44 medan vippan 45 fortfarande är satt. Styrsignalen TRl upphör därför vilket medför bortkoppling av transistorn Tl. Transistorn T2 fortsätter emellertid att leda då styrsignalen TR2 kvarstår, vilket medför att ström kan flyta i en krets be- stående av transistorn T2, lindningarna l6a, 16b och dioden Dl. Under detta frihjulningsförlopp sker dock ingen återmatning av energi till spänningskällan utan energin utnyttjas helt för att driva motorn.

När utspänningen från rampgeneratorn 36 nått nivån för frånslag av tran- sistorn T2, se rad 5 i fig. 5, slår komparatorn 40 om och återställer vippan 45, vilket får till följd att styrsignalen TR2 upphör. Transistorn T2 stryps sålunda och energi börjar återmatas till spänningskällan i en krets bestående av lind- ningarna l6a, 16b och dioderna Dl, D2. Strömmen får på detta sätt möjlighet att klinga av utan att spänningstransienter genereras under tiden lindningarna l6a, 16b töms på magnetisk energi.

Det beskrivna förloppet upprepas omväxlande för fasen med lindningarna l6a, 16b liksom för den motsatta icke närmare beskrivna fasen med lindningarna l5a, l5b (fig. 1). Den förbättrade verkningsgraden för motorn återges bäst i ett diagram över ström som funktion av tid eller vridningsvinkel för rotorn.

Två sådana diagram visas i fig. 5A där i det ena diagrammet med streckade linjer återges hur i det klassiska fallet strömmen växer och avtar. I det andra diagrammet återges med heldragna linjer kurvformen för strömmen i ett 463 899 utförande enligt uppfinningen där strömmen avtar i ett långsammare förlopp efter frånslag av transistorn Tl och med fördröjning transistorn T2. Ström- tidytan blir större än i det klassiska fallet vilket medför högre verkningsgrad.

Den med hänvisning till fig. 4 beskrivna kopplingen kan även utnyttjas i ett utförande där man önskar styra motorns hastighet med något slags åter- koppling. I fig. 6 visas ett utförande av i huvudsak samma slag som det i fig. 4 visade. Samma hänvisningsbeteckningar har därför använts för motsvarande komponenter i resp. figur. Dessa komponenter kommer dock inte att beskrivas närmare annat än i den mån det behövs för förståelsen av återkopplingsfunktionen.

I fig. 4 uppträder en hastighetssignal på terminalen 35. I fig. 6 leds denna signal till en summeringskrets 50 via en ledare 51. Till kretsen 50 leds även en medelst en potentiometer 52 inställbar referenssignal motsvarande önskad hastighet för motorn. Utsignalen från summeringskretsen 50 leds till en regu- lator 53 som avger en styrspänning till komparatorn 38 liknande den som återges i rad 3 i fig. 5. Denna nivå är styrbar så att motorns hastighet kan hållas vid ett konstant värde. En nackdel med kopplingen är dock att man inte kan ta ut full effekt ur motorn på grund av tidsfördröjningar orsakade av den omnämnda frihjulningen under frånslagsperioden.

I fig. 7 återges en koppling med en återkopplingsslinga som styr tidpunkten för frånslag av transistorn Tl. Liksom ifig. 6 är hastighetssignalen från F/V-orn- vandlaren54 förd till en summeringsanordning, här betecknad 55, till vilken även är förd en medelst en potentiometer 56 inställbar referenssignal som utgör ett mått på önskad hastighet. Utsignalen från summeringskretsen 55 leds till en regulator 57 vars utgång är kopplad till RESET-ingången på komparatorn 39.

En nackdel vid denna koppling är att den ger dålig verkningsgrad för motorn vid låg belastning.

En speciellt föredragen utföringsform visas i fig. 8. I denna koppling, som liksom kopplingen i fig. 6 har återkopplingsstyrt tillslag, har man valt en fast vinkel för frånslag av transistorn Tl medan frånslagsvinkeln för transistorn TZ är styrd så att en fast vinkel innehålls mellan tillslag och frånslag av transistorn T2. Kopplingen har samma utseende som den i fig. 6 visade men är kompletterad med ytterligare en rampgenerator 58 vilken som insignal har utsignalen från F/V-omvandlaren 54. Utsignalen från rampgeneratorn 58 är via en ledare 59 kopplad till komparatorn 40 där den jämförs med den medelst potentiornetern 43 inställda nivån för frånslag av transistorn T2. För åstadkommande av en konstant vinkel mellan tillslagsvinkeln och frånslagsvinkeln för transistorn T2 är utsignalen från komparatorn 38 via en ledare 60 ansluten 463 899 till en RESET-ingång på rampgeneratorn 58. På detta sätt erhålls en återställning av rampgeneratorn 58 samtidigt med att vipporna 44 och 45 sätts och därmed genererar de för aktivering av transistorna T1 och T2 erforderliga styrsignalerna TRl och TR2. Detta medför att rampsignalen från rampgeneratorn 58 börjar växa vid tillslag och sålunda når den av potentiometern 43 inställda nivån efter en tid eller vinkel som alltid är lika. Frånslaget av transistorn T2 kommer så- lunda alltid att inträffa vid samma vridningsvinkel från det tillslag skett.

Vid utföringsformen enligt fig. 8 blir det möjligt att utnyttja motorns fulla effekt samtidigt som verkningsgraden blir god även när man tar ut låg effekt ur motorn.

Claims (3)

463 899 Patentkrav

1. Anordning för styrning av en reluktansmotor som innefattar en stator (10) med parvis samverkande, diametralt motsatt belägna och med lindningar (15a, b;16a, b) försedda statorpoler (ll, 12, 13, 14), liksom en av mjukmagnetiskt material utförd rotor (17) vilken uppvisar med statorpolerna samverkande, parvis diametralt motsatt belägna rotorpoler (l9a, b; ZOa, b), varvid för varje stator- polpar (11, 12; 13, 14) lindningarna (15a, b;16a, b) är anslutbara till en likspän- ningskälla via två separat styrbara strömställare (Tl, T2), så att den ena ström- stäl1aren(Tl) ansluter lindningarna till likspänningskällans positiva pol medan den andra strömställaren (TZ) ansluter lindningarna till spänningskällans negativa pol och två frihjulningsdioder (Dl, D2) är anordnade att samverka med resp. strömställare för att när denna öppnar medge fortsatt strömflöde genom lind- ningarna, varjämte styrorgan (54, 36, 38, 39, 40, 44, 45) är inrättade att avge styrsignaler (TRl, TR2) för tillslag av strömställarna (Tl, T2) vid en förutbe- stämd rotorposition och att avge en första styrsignal (T-lïl) för frånslag av den ena strömställaren (Tl) en förutbestämd första vridningsvinkel efter den nämnda rotorpositionen och att avge en andra styrsignal (ïlïf) för frånslag av den andra strömställaren (T2) en förutbestämd andra vridningsvinkel efter den nämnda rotorpositionen, större än den första, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v, att till- slagsvinkeln är variabel, att den första frånslagsvinkeln är fast och att vinkel- skillnaden mellan tillslagsvinkeln och den andra frånslagsvinkeln har ett konstant värde.

2. Anordning enligt patentkravet 1, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v, att organ är inrättade att avge en referenssignal (rad 1, fig.5) i det ögonblick en rotorpol står i begrepp att röra sig in över en statorpol, varvid styrorganen (54, 36, 38, 39, 40, 44, 45) är inrättade att avge styrsignaler (TR1, TR2) för tillslag av ström- ställarna (Tl, T2) en förutbestämd vridningsvinkel före den av referenssignalen givna referensvinkeln och att avge en första styrsignal (fâ) för frånslag av den ena strömställaren (Tl) en förutbestämd första vridningsvinkel efter referensvinkeln och att avge en andra styrsignal (fifí) för frånslag av den andra strömställaren (T2) en förutbestämd andra vridningsvinkel efter referensvinkeln, större än den första.

3. Anordning enligt patentkravet 1 eller 2, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v, att styrorganen (54, 36, 38, 39, 40, 44, 45) innefattar en återkopplingsslinga (51, 52, 53) för hastighetsreglering genom variation av tillslagsvinkeln.