CH680178A5 - - Google Patents

Description

1

CH 680 178 A5

2

Beschreibung

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf geschaltete Reluktanzantriebe und betrifft einen Digital-Kommutator zum Steuern des Zündens der Phasen eines geschalteten Reluktanzmotors über einem sehr breiten Drehzahlbereich.

Obgleich Schalt- oder geschaltete Reluktanzmotor (SRM)-Antriebe seit einiger Zeit bekannt sind, hat sich das Interesse an ihnen kürzlich neu belebt. Verglichen mit herkömmlichen Induktions- und Syn-chronmotorantriebssystemen ist der SRM-Antrieb wirtschaftlich und im Aufbau einfach. Darüber hinaus benötigt der Stromrichter, der die SRM-Ma-schine speist, weniger Leistungsvorrichtungen und ist deshalb wirtschaftlicher und zuverlässiger. Angesichts dieser Vorteile bildet das Antriebssystem mit geschaltetem Reluktanzmotor eine attraktive Alternative zu herkömmlichen Antriebssystemen und dürfte für industrielle Zwecke breite Anwendung finden.

Geschaltete Reluktanzmotoren haben üblicherweise mehrere Pole oder Zähne sowohl am Stator als auch am Rotor (d.h. sind mit ausgeprägten Polen doppelt versehen). Es gibt Phasenwicklungen auf dem Stator, aber keine Wicklungen oder Magnete auf dem Rotor. Jedes Paar diametral entgegengesetzter Statorpole ist in Reihe geschaltet und bildet eine unabhängige Phase des geschalteten mehrphasigen Reluktanzmotors.

Drehmoment wird erzeugt, indem der Strom jeder Phasenwicklung in einer vorbestimmten Reihenfolge eingeschaltet wird, die mit der Winkelposition des Rotors in Synchronismus ist, so dass sich eine magnetische Anziehungskraft zwischen den Rotor-und den Statorpolen ergibt und diese sich gegenseitig anziehen. Der Strom wird in jeder Phase ausgeschaltet, bevor die Rotorpole, die den Statorpolen dieser Phase am nächsten sind, bei ihrer Drehung die ausgerichtete Position durchlaufen; andernfalls würde die magnetische Anziehungskraft ein Bremsoder negatives Drehmoment erzeugen. Das entwickelte Drehmoment ist von der Richtung des Stromflusses unabhängig, so dass unidirektionale Stromimpulse, die mit der Rotorbewegung in Synchronismus sind, an die Statorphasenwicklungen durch einen Stromrichter angelegt werden können, in welchem unidirektionale Stromschaltelemente wie Thyristoren und Transistoren benutzt werden.

Im Betrieb des geschalteten Reluktanzmotors werden somit die Statorphasenströme in Synchronismus mit der Rotorposition ein- und ausgeschaltet. Durch richtiges Positionieren der Zündimpulse relativ zu dem Rotorwinkel können Vor- oder Rückwärtsbetrieb und Motor- oder Generatorbetrieb erzielt werden.

In vielen Fällen ist die Verwendung eines festen Satzes von Stromimpulszündwinkeln in Verbindung mit einer Stromstärkeneinstellung zum Steuern des Drehmoments für den gesamten Bereich des Motorbetriebes ausreichend. In solchen Fällen können ein Satz optische Unterbrecher und eine geschlitzte Scheibe zum Ausführen der Kommutierung benutzt werden.

In jüngerer Zeit findet jedoch der geschaltete Reluktanzmotor zunehmend Verwendung als Mo-tor/Generator-Kombination oder als Positionsser-voeinrichtung. Für diese Verwendungszwecke ergeben feste Zündwinkel nicht immer ein ausreichendes Maschinendrehmoment über dem verlangten Drehzahlbereich. Auch bei diesen Verwendungszwecken ist eine präzise Positions- und Drehzahlinformation über dem vollen Betriebsbereich der Maschine häufig erforderlich. Bei solchen Verwendungszwecken kann eine geschlitzte Scheibe keine ausreichende Genauigkeit bieten, und ein optischer Drehgeber oder -meider wird häufig zum Messen von Position und Drehzahl benutzt.

Wenn der Drehzahlbereich eines geschalteten Reluktanzmotors zunimmt, wird es im allgemeinen erwünscht, die Zündwinkel der Stromimpulse in bezug auf die Rotorposition wahlweise einstellen zu können. Bei hohen Drehzahlen geht die Stromsteuerung verloren und die einzige Möglichkeit zum Steuern des Motordrehmoments besteht darin, die Impulsposition und -breite zu verändern.

Wenn eine SRM-Analogsteuereinheit bei solchen Verwendungszwecken benutzt wird, wird eine Kommutatorschaltungsanordnung In Hardwareform zum Erzeugen der geeigneten Phasenzündimpulse benötigt. Wenn, wie es häufig erwünscht ist, eine Steuereinheit auf Mikroprozessorbasis benutzt wird, kann der Prozessor selbst die Zündbefehle bei niedrigeren Drehzahlen erzeugen, wenn aber die Maschinendrehzahl zunimmi, kann diese Aufgabe einen nicht mehr akzeptablen Teil der Zeit des Prozessors in Anspruch nehmen. Es ist demgemäss erwünscht, die Kommutierungsfunktion von dem Mikroprozessor auf eine separate Digitalschaltung zu verlagern.

Eine Anzahl von Digitalkommutatorschaltungen für bürstenlose Gleichstrommotoren ist bereits vorgeschlagen worden. Die meisten dieser Schaltungen scheinen entweder hinsichtlich ihrer Schnittstelle mit dem Rotorpositionssensor oder hinsichtlich ihres Drehzahlbereiches beschränkt zu sein. Zum Beispiel beschreiben L. Thompson und M. Lee in dem Artikel «Universal Brushless Motor Com-mutator», derauf den 13th Annual Symposium on Incrementai Motion Control Systems and Devices, Urbana, Illinois, Mai 1984, präsentiert worden ist, eine Kommutierungsschaltung, die eine Schnittstelle mit einem inkrementellen Drehgeber hat und eine Zündvoreilung gestattet, aber eine feste Impulsbreite benutzt. Bei einem geschalteten Reluktanzmotor ist jedoch die Stromeinstellung bei hoher Drehzahl wegen des Aufbaus einer Gegen-EMK nicht möglich, und eine Impulsbreitenerweiterung wird benötigt, um den Betrieb bei solchen hohen Drehzahlen zu gestatten.

Die US-PS 4 270 074 und 4 368 411 beschreiben Steuersysteme für bürstenlose Gleichstrommotoren, bei denen ein Festspeicher (ROM) benutzt wird. Mit bürstenlosen Gleichstrommotoren sind bei diesen US-Patentschriften wie üblich Dauermagnetmotoren gemeint, in denen Magnete auf die Oberfläche des Rotors geklebt und die Statorphasenwick-lungen in Sternschaltung miteinander verbunden sind, nicht aber geschaltete Reluktanzmotoren. Gemäss der US-PS 4 270 074 wird ein ROM benutzt,

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

3

CH 680 178 A5

4

der durch Motorwellenpositionssensoren adressiert wird, um den synchronen Betrieb zu gewährleisten, es ist aber nicht vorgesehen, das Ansprechen des Speichers als Funktion der Drehzahl zu ändern. Gemäss der US-PS 4 368 411 wird ein ROM zum Steuern eines Antriebsumschaltkreises benutzt. Ein externer Pulsbreitenmodulator gestattet eine gewisse Veränderung der Impulsbreite der durch den ROM erzeugten Impulse, bei dieser patentierten Schaltung ist aber keine Veränderung des Einschaltwinkels dieser Impulse vorgesehen.

Demgemäss besteht Bedarf an einem Kommutator zum Steuern des Schaltens der Statorphasen eines geschalteten Reluktanzmotors nach einem Digitalsteuerschema, um dem Mikroprozessor diese Aufgabe abzunehmen. Das würde auch eine grosse Vielseitigkeit hinsichtlich der Lage und der Dauer der Phasenzündimpulse gestatten und dadurch die SRM-Leistung über einem breiteren Drehzahlbereich einschliesslich extrem hoher Drehzahlen ermöglichen.

Der vorgenannte Bedarf wird gedeckt und die Nachteile des Standes der Technik werden beseitigt, indem gemäss der Erfindung ein Digital-Kom-mutator für einen geschalteten Reluktanzmotor geschaffen wird, wie im Anspruch 1 definiert. Insbesondere wird dafür ein wahlweise adressierbarer, nichtflüchtiger Speicher, z.B. ein ROM, benutzt. Der Speicher speichert vorzugsweise mehrere Standardmehrphasenzündmuster. Jedes Muster enthält eine Sequenz von Statorphasenzündimpul-sen über einer elektrischen Periode des Antriebs. Jeder Impuls eines besonderen Musters hat vorzugsweise die gleiche Dauer und einen Einschaltwinkel, der einer anderen Ausgangsrotorposition entspricht. Die Muster unterscheiden sich vorzugsweise nur in der Impulsbreite. Der Speicher wird synchron mit der Augenblicksrotorposition adressiert, um eine Sequenz von Phasenschaltbe-fehlsimpulsen mit einem gewünschten einstellbaren Voreilwinkel und einer gewünschten einstellbaren Impulsbreite zu erzeugen.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung speichert der Speicher jedes Muster von Impulsen als Wort an adressierbaren Speicherplätzen. Jedes Wort repräsentiert den geschalteten Zustand von sämtlichen Phasen des Motors in einer besonderen Rotorposition, und jeder adressierbare Speicherplatz repräsentiert eine andere Rotorposition für die elektrische Periode des Motors. Ein digitales Summierglied summiert eine erste Digitaldarstellung der Augenblicksrotorposition und eine zweite Digitaldarstellung eines gewünschten Voreilwinkels, um ein zusammengesetztes Adresssignal zum Auslesen von Information aus dem Speicher zu schaffen. Ein Mikroprozessor gibt den Voreilwinkel an und liefert ausserdem ein Verweilzeit- oder Schliesswinkelsignal zum Identifizieren, welches gespeicherte Muster in dem Speicher zu einer bestimmten Zeit zu adressieren ist. Die verschiedenen Zündmuster können in verschiedenen Abschnitten des Speichers gespeichert werden, und/oder mehrere Muster können in demselben Abschnitt eines Speichers gespeichert werden, wenn die Wortgrösse das gestattet, in letzterem Fall werden auf das Verweilzeitsignal ansprechende Mul-tiplexer vorzugsweise benutzt, um zwischen verschiedenen Mustern zu unterscheiden.

Ausser dem besonderen Aufbau des Digital-Kom-mutators betrifft die Erfindung eine digitale Steuereinheit auf Mikroprozessorbasis gemäss Anspruch 12, welche diesen Kommutator enthält, sowie Verfahren zum Betrieb dieses Digitalkommutators gemäss Ansprüchen 16 und 18, die vorteilhafterweise dadurch realisiert werden.

Demgemäss ist es ein Hauptziel der Erfindung, für SRM-Maschinen mit beliebiger Phasenzahl einen auf Digitalhardware basierenden Kommutator zu schaffen, der einem Mikroprozessor die Kommutierungsfunktion abnimmt und diese Funktion über einem extrem breiten Drehzahlbereich erfüllt.

Weiter soll durch die Erfindung ein SRM-Kom-mutator geschaffen werden, der eine vollständige Flexibilität sowohl hinsichtlich der Lage als auch der Dauer der Statorphasenzündimpulse gestattet.

Ferner soll durch die Erfindung ein Kommutator für einen geschalteten Reluktanzantrieb geschaffen werden, der ohne weiteres entweder mit einem Standard-Drehmelder/Digitalwandler oder mit einem optischen Drehgeber verbindbar ist.

Ausserdem soll durch die Erfindung ein Kommutator für einen geschalteten Reluktanzmotor geschaffen werden, der einfach und billig ist und trotzdem eine gute Drehmomentsteuerung des Motors bei höheren Drehzahlen als bislang praktisch möglich erleichtert.

Weiter soll durch die Erfindung ein Kommutator und eine Steuereinheit geschaffen werden, die das wahlweise Einschalten und eine wahlweise Dauer der Statorphasenzündimpulse in bezug auf die Rotorwinkelposition bei einem geschalteten Reluktanzmotor erleichtert.

Schliesslich soll durch die Erfindung ein Kommutator und eine Steuereinheit geschaffen werden, welche die Verwendung eines SRM über einem sehr breiten Drehzahlbereich als eine Motor/Generator-Kombination oder als eine Positionsservo-einrichtung oder für andere diverse Zwecke gestattet.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1a eine vereinfachte Querschnittansicht eines typischen geschalteten Reluktanzmotors,

Fig. 1b einen typischen Stromrichter für den geschalteten Reluktanzmotor nach Fig. 1a,

Fig. 2 ein Blockschaltbild des gesamten geschalteten Reluktanzantriebs nach der Erfindung,

Fig. 3 ein Blockschaltbild einer ersten Ausführungsform des Kommutators nach der Erfindung,

Fig. 4 graphisch Veränderungen in einem Pha-senschaltbefehlsimpuls für eine einzelne Statorphase in dem geschalteten Reluktanzmotor nach Fig. 1a, Fig. 5a graphisch einen Statorphasenstromimpuls in dem geschalteten Reluktanzmotor nach Fig. 1a bei dessen Betrieb mit niedriger Drehzahl,

Fig. 5b graphisch einen Statorphasenstromimpuls in dem geschalteten Reluktanzmotor nach Fig. 1a bei dessen Betrieb mit mittlerer Drehzahl, wobei der Im5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

5

CH 680 178 A5

6

puls gemäss der Erfindung mit einem Voreilwinkel geliefert wird,

Fig. 5c graphisch einen Statorphasenstromimpuls in dem geschalteten Reluktanzmotor nach Fig. 1a bei dessen Betrieb mit hoher Drehzahl, wobei der Impuls einen Voreilwinkel und eine erweiterte Impulsbreite gemäss der Erfindung hat, und

Fig. 6 eine weitere Ausführungsform des Kommutators nach der Erfindung.

Der Kommutator und die Steueranordnung nach der Erfindung sind besonders zur Verwendung mit einem SRM in einem geschalteten Reluktanzantrieb ausgelegt. Beispielshalber ist ein vierphasiger geschalteter Reluktanzmotor 10 in Fig. 1a dargestellt, und ein typischer zugeordneter Stromrichter 20 ist in Fig. 1b gezeigt. Es ist klar, dass diese Motor/ Stromrichter-Konfiguration lediglich zu Veran-schaulichungszwecken dient und dass der Kommutator und die Steueranordnung nach der Erfindung bei jedem SRM mit irgendeiner Phasenzahl verwendbar sind.

Gemäss der Darstellung in Fig. 1a hat der Motor 10 einen Rotor 12, der entweder in Vorwärts- oder in Rückwärtsrichtung in einem stationären Stator 14 drehbar ist. Die Vorwärtsrichtung F gibt die Drehung des Rotors im Gegenuhrzeigersinn an, wogegen die Rückwärtsrichtung R die Drehung im Uhrzeigersinn angibt. Der Rotor 12 hat drei Paare von diametral entgegengesetzten Polen ar-a', b-b' und c-c'. Der Stator 14 ist mit vier Paaren von diametral entgegengesetzten Statorpolen A-A', B-B', C-C' und D-D' versehen.

Die entgegengesetzten Pole jedes Statorpolpaares teilen sich eine gemeinsame bifilare Wicklung und bilden eine unabhängige Statorphase. Eine repräsentative Wicklungsspule 16 für die Phase A ist in Fig. 1a dargestellt, und gleichartige Wicklungen (nicht dargestellt) sind für jedes andere Statorpolpaar vorgesehen.

Die Rotordrehung wird erzeugt, indem der Strom in jeder Statorphasenwicklung in einer vorbestimmten Sequenz ein- und ausgeschaltet wird, die mit der Winkelposition des Rotors in Synchronismus ist. Der Strom in jeder Statorphase wird dem Stromrichter 20 entnommen, der in Fig. 1 b dargestellt ist und eine Gleichstromzwischenkreisspannung Vd an den vier parallelen Statorphasenzweigen PH-A, PH-B, PH-C und PH-D einprägt. Die Zwischenkreisspan-nung Vd kann einer Batterie (nicht dargestellt) oder aus einer Wechselstromversorgung (z.B. einem dreiphasigen Netz mit 220 V und 60 Hz) über eine herkömmliche Diodengleichrichterschaltung 22 und einen Filterkondensator 23 entnommen werden.

Die Stromrichterschaltungsanordriung für jeden Statorphasenzweig ist gleich. Der Zweig PH-A enthält beispielsweise eine Statorbifilarwicklung 24A, eine Rückkopplungsdiode 26A und eine Strom-schaltvorrichtung in Form eines Transistors Ta, der wie in Fig. 1b gezeigt geschaltet ist. Die Basis 25A des Transistors Ta ist mit einem Ausgang der Steueranordnung nach der Erfindung verbunden und empfängt daraus eine Schaltsteuerimpulsfolge Sa.

Wenn der Transistor Ta eingeschaltet ist, fliesst ein Phasenstrom ìa, der aus dem Zwischenkreis-strom. Id abgeleitet wird, durch die Statorwicklung für die Phase A. Wenn der Transistor Ta abgeschaltet wird, liefert die Bifilarwicklung 24A in Reihe mit der Rückkopplungsdiode 26A die gespeicherte Energie an die Quelle zurück. Während des Bremsens ist der dynamische Bremstransistor Tdb in Reihe mit einem Widerstand R parallel zu der Quelle gleichgerichteten Wechselstroms eingeschaltet, damit die rückgewonnene Energie in dem Widerstand R verbraucht wird. Bei einer Batteriestromversorgung wird statt dessen die Energie durch die Stromversorgung aufgenommen.

Die Stromrichterschaltungsanordnung für die anderen Phasenzweige arbeitet jeweils auf gleiche Weise und wird demgemäss hier nicht im einzelnen beschrieben. Die Transistoren Ta, Tb, Tc und Td werden nacheinander zum Leiten gebracht, wobei die Reihenfolge des Leitens von der Drehrichtung abhängig ist. Bei der dargestellten vierphasigen Maschine wird eine besondere Phase periodisch mit einer 60°-Zyklusperiode gezündet, weshalb bei der vierphasigen Maschine aufeinanderfolgende Phasen in 15°-lntervallen gezündet werden.

Die Erfindung betrifft einen Kommutator zum Steuern der Positionierung und der Dauer der Pha-senschaltbefehlsimpulse, die an die Stromschaltvorrichtungen des Wechselrichters abgegeben werden. Ein Blockschaltbild einer SRM-Steueran-ordnung 30 auf Mikrocomputerbasis, die einen solchen Kommutator enthält, ist in Fig. 2 gezeigt. Wie dargestellt empfängt ein Mikroprozessor 32 die Zwischenkreisspannung Vd, den Zwischenkreis-strom Id, ein Drehzahlrückkopplungssignal <b und Bedienerbefehle. Auf bekannte Weise verarbeitet der Mikroprozessor diese Eingangssignale und liefert einen Sollstrombefehl Isoli, einen Voreilwinkel-befehl und einen Verweilzeit- oder Verzögerungswinkelbefehl, die so sind, dass die gewünschte SRM-Leistung erzeugt wird. Der Sollstrombefehl ■soll wird an einen stromgeregelten Wechselrichter 34 ähnlich dem oben beschriebenen Wechselrichter 20 in Fig. 1b abgegeben, der aber auf ebenfalls bekannte Weise den Stromwert der Statorphasen-stromimpulse regelt.

Die Voreil- und Verzögerungsbefehle aus dem Mikroprozessor 32 werden an einen Kommutator 36, der im folgenden ausführlicher beschrieben ist, zusammen mit einem Positionssignal e angelegt, das die Augenblicksrotorposition darstellt. Die besonderen optimalen Winkel zum Zünden der Statorphasen (d.h. der Voreilwinkel und die Verweilzeit oder Impulsbreite) über einem gewünschten Drehzahlbereich hängen von der Maschinengeometrie ab und können beispielsweise experimentell bestimmt und dann in dem Mikroprozessor auf bekannte Weise realisiert werden, z.B. durch Approximieren derselben mit Polynomen oder durch stückweise lineare Approximationen oder mit Suchtabellen. Die besondere Methode der Funktionsrealisierung ist für die Erfindung unkritisch, solange die Voreil- und Verweilzeitbefehle aus den Ausgängen des Mikroprozessors für die gewünschte Motorsteuerung über

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

4

7

CH 680 178 A5

8

dem Drehzahlbereich für die besonderen Verwendungszwecke sorgen.

Ein Drehgeber 38 in Verbindung mit einem Drehgeber/Digitalwandler 40 oder irgendeiner gleichwertigen Rotorpositionsabfühl- und -schnittstellenan-ordnung erzeugt das digitale Positionssignal e, welches die Augenblicksrotorwinkelposition darstellt. Der Wandler 40 gibt ausserdem das Drehzahlrückführungssignal ca an den Mikroprozessor 32 ab.

Der Kommutator 36 verarbeitet die Voreil- und Verweilzeitbefehle zusammen mit dem Rotorpositionssignal e zu Phasenschaltbefehlsimpulsen Pa, Pb, Pc und Pd für die einzelnen Statorphasen. Gemäss der folgenden ausführlicheren Beschreibung werden die Ein- und Ausschaltwinkel der Phasen-schaltbefehlsimpulse (d.h. das Statorphasenzünd-muster) durch den Mikroprozessor wahlweise gesteuert, um das Drehmoment über einem breiten Drehzahlbereich zu optimieren. Die Phasenschalt-befehlsimpulse werden zusammen mit dem Sollstrombefehl Isoli durch den stromgeregelten Wechselrichter 34 zu den gewünschten Statorphasenstrom-impulsen Ia, Ib, Ic und Id an dem SRM 10 verarbeitet.

Im Betrieb wird das Drehmoment, das durch den geschalteten Reluktanzmotor 10 erzeugt wird, gesteuert, indem die Stärke des dem Motor zugeführten Stroms und die Winkel, bei denen der Strom ein-und ausgeschaltet wird, gesteuert werden. Bei niedriger Drehzahl wird der Sollstromwert Isoli so verändert, dass das gewünschte Drehmoment erzielt wird, und der Einschaltwinkel und die Impulsbreite werden konstant gehalten. Wenn die Drehzahl zunimmt, werden die Einschaltwinkel eingestellt, um den Wirkungsgrad des Motors über die Voreilwin-keleinstellung zu maximieren. Bei höheren Drehzahlen geht die Stromsteuerung verloren, und das Drehmoment wird eingestellt, indem die Ein- und Ausschaltwinkel der Phasenschaltbefehlsimpulse auf die Voreil- und Verweilzeitbefehle hin, die aus dem Mikroprozessor empfangen werden, eingestellt werden.

Zum Ändern der Richtung des durch den Motor erzeugten Drehmoments wird der Voreilwinkel so programmiert, dass der Zündimpuls auf der entgegengesetzten Seite der ausgerichteten Position von Statorpol und Rotorpol positioniert wird. Das gestattet umgekehrten Betrieb oder die Verwendung des Motors als Generator.

Der Kommutator nach der Erfindung nimmt dem Mikroprozessor die beschriebene Kommutierungsfunktion ab und erleichtert die «Echtzeit»-Einstel-lung der Lage und der Impulsbreite des Statorpha-senzündmusters als Funktion der Rotorposition.

Fig. 3 zeigt eine erste Ausführungsform des Kommutators nach der Erfindung. In dem Kommutator wird ein nichtflüchtiger Speicher 42 benutzt, vorzugsweise ein Festspeicher (ROM). Der Speicher 42 dient zum Speichern von mehreren Stan-dardstatorphasenzündmustern. Jedes Muster enthält eine Sequenz von Statorphasenzündimpulsen über einem elektrischen Zyklus des Antriebs, und jeder Impuls eines besonderen Musters hat vorzugsweise die gleiche Dauer und einen Einschaltwinkel, der einer anderen Ausgangsrotorposition entspricht. Die verschiedenen Muster unterscheiden sich vorzugsweise nur in der Impulsbreite ihrer Impulse.

Vorzugsweise ist in dem Speicher 42 jedes Impulsmuster in Form von Wörtern an adressierbaren Speicherplätzen abgespeichert. Jedes Wort repräsentiert den geschalteten Zustand sämtlicher Phasen des Motors in einer besonderen Rotorposition, und jeder adressierbare Speicherplatz repräsentiert eine andere Rotorposition für den elektrischen Zyklus des Motors. Somit entspricht jeder eindeutigen ROM-Adresse ein Rotorwinkel, und jedes Wort des ROM enthält ein Muster von Bits (Einsen und Nullen), die den Statorschaltzuständen für diesen Rotorwinkel entsprechen. Die Werte eines besonderen Bits in den Wörtern beschreiben deshalb den Zündimpuls für eine besondere Statorphase, wenn die ROM-Adresse über ihrem vollen Bereich verändert wird. Das ist durch einen Impuls 50 in Fig. 4 veranschaulicht, der den Wert eines besonderen Bitplatzes eines N-Wort-ROM an jeder Adresse zeigt (d.h. den Rotorwinkel).

Der in Fig. 3 gezeigte ROM ist vier Bits breit, weshalb jeder geschaltete Reiuktanzmotor, der bis zu vier Phasen hat, zusammen mit diesem ROM benutzt werden kann. Das Erweitern der Anordnung auf Motoren mit mehr als vier Phasen erfordert lediglich einen ROM mit grösserer Kapazität.

Die gewünschte Rotorwinkelpositionsauflösung und die elektrische Periode des besonderen Motors bestimmen die Anzahl von adressierbaren Speicherplätzen, die benötigt werden, um ein einzelnes Standardzündmuster zu speichern. Beispielsweise braucht bei einem dreiphasigen System, bei dem ein 10-Bit-Drehmelder benutzt wird (d.h. eine Auflösung von 0,35156°), nur ein Quadrant (90°) von Zünddaten gespeichert zu werden. Die Auflösung (10 Bits) und die elektrische Periode (90°) legen gemeinsam die Grösse des Speichers fest, der zum Speichern des Musters benötigt wird. In diesem Fall ist, da 90° ein Viertel einer Umdrehung oder gleich acht Bits ist, ein 256-Wort-ROM zum Speichern des Musters nötig.

Um eine beliebige Lage der Statorphasenzündimpulse zu gestatten, enthält der Kommutator ein digitales Summierglied 44 bekannter Art, welches das Digitalpositionssignal zu einem zweiten Digitalsignal Sadv addiert, das den gewünschten Voreilwinkel repräsentiert, um ein zusammengesetztes Adresssignal Sadr zum Auslesen von Information aus dem ROM 42 in Synchronismus mit der Augenblicksrotorposition zu erzeugen. Der Voreilwinkel verschiebt tatsächlich den abgefühlten Maschinenro-torwinkel um irgendein gewünschtes Ausmass und somit den Speicherplatz der Impulse in dem Standardzündmuster, das durch den ROM erzeugt wird, in demselben Ausmass ab deren Ausgangsposition. Ein positiver Voreilwinkel wird bewirken, dass das Zünden bei einem früheren Winkel erfolgt, und ein negativer Winkel wird das Zünden verzögern. Das digitale Voreilwinkelsignal Sadv wird vorzugsweise durch ein Voreilregister oder einen Voreilzwischen-

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

g

CH 680 178 A5

10

Speicher 46 geliefert, der den Voreilbefehl aus einem Ausgang des Mikroprozessors 32 empfängt.

Das Verändern der Impulsbreite des Zündmusters erfolgt, indem Zündmuster gespeichert werden, die in verschiedenen ROM-Abschnitten nur in der Impulsbreite variieren. Beispielsweise könnte in dem 3-Phasen-System, das oben erläutert ist, ein 1 K-ROM benutzt werden, um vier verschiedene Zündmuster zu speichern. Das Verweilzeitein-gangssignal an dem Kommutator aus dem Mikroprozessor 32 (in Fig. 2 gezeigt) kann einem Verweilzeitregister oder -Zwischenspeicher 48 (gezeigt in Fig. 3) zugeführt werden. Ein Digitalsignal Sdw aus dem Verweilzeitregister 48 kann dann benutzt werden, um das Zündmuster innerhalb des ROM auszuwählen, das zu irgendeiner bestimmten Zeit in Abhängigkeit von der gewünschten Impulsbreite adressiert werden soll. Die Grösse des ROM wird dann durch den Abstand und den Bereich der gewünschten Impulsbreiten bestimmt.

Fig. 4 zeigt grafisch den Standardphasenschalt-befehlsimpuls 50 für eine einzelne Statorphase, der als Beispiel einen Einschaltwinkel von 60° und eine Impulsbreite von 30° hat, wobei mit gestrichelten Linien 52 angedeutet ist, wie bei höheren Drehzahlen durch den Kommutator nach der Erfindung der Befehlsimpulseinschaltwinkel vorverlegt und die Impulsbreite vergrössert werden kann.

Die Fig. 5a, 5b und 5c veranschaulichen die Wellenform eines einzelnen Statorphasenstromimpul-ses bei niedriger, mittlerer bzw. hoher Drehzahl bei jeweils konstantem Motordrehmoment. In diesen Figuren repräsentiert jeweils die vertikale Linie bei einem Rotorwinkel von 90°, die mit «AUSGERICHTET» bezeichnet ist, die Position, wo ein Rotorpol auf einen Statorpol der besonderen Statorphase ausgerichtet ist, der Sollstromwert jeweils 400 A beträgt und die Nennimpulsbreite des Standardimpulses 30° beträgt.

Gemäss der Darstellung in Fig. 5a ist bei niedriger Drehzahl, z.B. bei 1000 U/min, der Stromimpuls praktisch eine Rechteckschwingung. Wenn die Phase eingeschaltet wird, steigt der Strom augenblicklich in bezug auf die Rotorposition auf den Stromsollwert an und wird um diesen Stromsollwert über der Dauer des Impulses geregelt. Wenn die Phase abgeschaltet wird, fällt der Strom praktisch augenblicklich auf null ab. Bei solchen niedrigen Drehzahlen erfolgt die Drehmomentsteuerung durch Stromregelung, und es besteht keine Notwendigkeit, die Impulsbreite zu ändern oder die Einschaltposition vorzuverlegen.

Wenn die Drehzahl zunimmt, was in Fig. 5b gezeigt ist, ist ein gewisser endlicher Rotorwinkel für das Ansteigen des Stroms auf dessen Sollwert erforderlich, nachdem die Phase eingeschaltet worden ist. Bei solchen Drehzahlen, z.B. 9000 U/min, wird bei dem Antrieb noch der Strom geregelt, weshalb eine gewisse Stromzerhackung sichtbar ist. Wenn die Phase anschliessend abgeschaltet wird, ist eine gewisse endliche Zeit erforderlich, damit der Strom auf null abfallen kann. In diesem mittleren Drehzahlbereich kompensiert das Von/erlegen der anfänglichen Einschaltposition des Stromimpulses vorteilhafterweise die Stromanstiegszeit.

Bei hoher Drehzahl, z.B. 25 000 U/min, erfordert der Strom mehr Zeit zum Ansteigen und erreicht nie den Stromsollwert, weshalb keine Stromregelung erfolgt. Bei so hohen Drehzahlen wird die Einschaltposition weiter vorverlegt, und die Breite des Impulses wird verändert, wie es in Fig. 5c gezeigt ist, um das Motordrehmoment zu steuern. Über grossen Drehzahlbereichen wird daher die maximale Effizienz beim Steuern des Motordrehmoments erzielt, indem sowohl die Impulsposition als auch die Impulsbreite mit Hilfe des Kommutators nach der Erfindung wahlweise eingestellt werden.

Fig. 6 zeigt eine weitere Ausführungsform des Kommutators nach der Erfindung. In dieser Ausführungsform mit drei Statorphasen wird ein elektronisch programmierbarer Festspeicher (EPROM) 60 als nichtflüchtiger Speicher benutzt. Da die meisten EPROMs gegenwärtig in Breiten von 8 Bits benutzt werden, ist es praktisch möglich, zwei Zündmuster in demselben Wort zu speichern. Das gewünschte Muster wird dann gewählt, indem Multiplexer 62, 64 und 66 mit zwei Eingängen wie dargestellt benutzt werden, wobei das gewählte Eingangssignal an den Multiplexern eines der Verweilzeitwortbits aus dem Verweilzeitregister 48 ist. Im übrigen arbeitet der Kommutator nach Fig. 6 auf dieselbe Weise wie der oben beschriebene Kommutator nach Fig. 3.

Eine Prototypenanordnung gemäss der Konfiguration nach Fig. 6 ist entworfen und gebaut worden, um einen dreiphasigen geschalteten Reluktanzmotor zu steuern. Die Anordnung wurde auf der Basis einer Positionssensoraufiösung von 10 Bits oder 8 Bits bei 90° entworfen (d.h. 0,35156°/Bit). Eine Impulsbreitenvariation war in vollen Auflösungsschritten von null bis 45" erwünscht. Das bedeutete, dass 45/0,35156 oder 128 Zündmuster in dem EPROM gespeichert werden mussten, wobei jedes Muster 256 3-Bit-Wörter an Daten erforderte. Da jedes EPROM-Wort 8 Bit breit ist, wurden nur 64 Abschnitte des EPROM benötigt, um sämtliche 128 Zündmuster zu speischern. Unter Verwendung des Kommutators nach der Erfindung wurde die Drehmomentsteuerung bei Drehzahlen von bis zu 45 000 U/min mit der Prototypenanordnung erreicht.

Der Kommutator nach der Erfindung entlastet also den Mikroprozessor von der Kommutierungsfunktion und erlaubt vollständige Flexibilität in der Impulspositionierung und der Impulsbreite und macht daher die SRM-Leistung über einem sehr breiten Drehzahlbereich möglich. Die Erfindung gestattet die Verwendung eines geschalteten Reluktanzmotors bei höheren Drehzahlen als bislang möglich und erleichtert die Verwendung eines SRM als Servoantrieb in der Raumfahrtindustrie und für diverse andere Zwecke.

Claims (19)

Patentansprüche

1. Digitalkommutator (36) für einen geschalteten Reluktanzmotor (10), der mehrere unabhängige Statorphasen (PH-A, PH-B, PH-C, PH-D) hat, die in Synchronismus mit der Rotorposition sequentiell ein-

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

6

11

CH 680 178 A5

12

und auszuschalten sind, wobei der Kommutator die Zeitsteuerung des Schaltens in bezug auf die Augenblicksrotorposition steuert, gekennzeichnet durch:

eine nichtflüchtige Speichereinrichtung (42, 60) zum Speichern einer ersten Sequenz von Phasen-schaltbefehlsimpulsen für die Statorphasen über einem elektrischen Zyklus des Motors, wobei jeder Impuls einen vorbestimmten Einschaltwinkel hat, der einer anderen Anfangsrotorposition und einer ersten vorbestimmten Impulsbreite entspricht, und eine Adressiereinrichtung, zum Adressieren der Speichereinrichtung (42, 60) in Synchronismus mit der Augenblicksrotorposition, so dass die Speichereinrichtung (42, 60) die erste Sequenz von Impulsen mit dem Einschaltwinkel der Impulse erzeugt, die in bezug auf ihre Ausgangsrotorpositionen um einen einstellbaren Voreilwinkel verschoben sind.

2. Digitalkommutator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Speichereinrichtung (42, 60) adressierbare Speicherplätze zum Speichern der ersten Sequenz von Phasenschaltbefehlsimpul-sen als Wörter enthält, wobei jedes Wort den Schaltzustand von sämtlichen Phasen des Motors (10) in einer besonderen Rotorposition darstellt und wobei jeder adressierbare Speicherplatz eine andere Rotorposition für den elektrischen Zyklus des Motors (10) darstellt.

3. Digitalkommutator nach Anspruch 2 für einen Motor (10) mit N Statorphasen, dadurch gekennzeichnet, dass die Speichereinrichtung (42, 60) einen Festspeicher enthält, der wenigstens N Bit für jedes zu speichernde Wort hat.

4. Digitalkommutator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die N Bits einen Schaltzustand einer der N Phasen darstellen.

5. Digitalkommutator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Adressiereinrichtung ein Summierglied (44) aufweist zum Summieren eines ersten Digitalsignals (e), das die Augenblicksrotorposition darstellt, und eines zweiten Digitalsignals (Sadv), das den Voreilwinkel darstellt, um ein Adresssignal (Sadr). das die Summe der Augenblicksrotorposition und des Voreilwinkels darstellt, an die Speichereinrichtung (42,60) abzugeben.

6. Digitalkommutator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Festspeicher (42, 60) mehrere Speicherabschnitte enthält, wobei jeder Speicherabschnitt eine Sequenz von Phasenschalt-befehlsimpulsen speichert, wobei jede Sequenz sich von jeder anderen nur in der vorbestimmten Impulsbreite der Impulse unterscheidet, und dass der Kommutator (36) eine Verweilzeiteinrichtung (48) aufweist, mittels welcher wählbar ist, welcher der Speicherabschnitte durch die Adressiereinrichtung zu einer besonderen Zeit gemäss einer gewünschten Impulsbreite zu adressieren ist.

7. Digitalkommutator nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch ein Voreilregister (46) zum Liefern des zweiten Digitalsignals, wobei die Verweilzeiteinrichtung ein Verweilzeitregister (48) zum Abgeben eines Verweilzeitsignals an die Speichereinrichtung (42, 60) aufweist.

8. Digitalkommutator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Voreilregister (46) und das Verweilzeitregister (48) mit Ausgängen eines Mikroprozessors (32) verbunden sind.

9. Digitalkommutator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass dieser mit einem Drehmelder/Digitalwandler (40) verbunden ist.

10. Digitalkommutator nach einem der Ansprüche 5 bis 9, gekennzeichnet durch Multiplexereinrich-tungen (62, 64, 66) zum Auswählen unter M verschiedenen Sequenzen von Impulsen, die durch die Speichereinrichtung (60) erzeugt werden, wobei M die Anzahl von verschiedenen Phasenschaltbe-fehlsimpulsen für jede Statorphase darstellt.

11. Digitalkommutator nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl von adressierbaren Speicherplätzen in jedem Abschnitt der Speichereinrichtung (60) einer gewünschten Rotorwinkelpositionsauflösung für einen elektrischen Zyklus des Motors (10) entspricht und dass die Anzahl von Speicherabschnitten durch den Abstand und den Bereich der gewünschten Impulsbreiten bestimmt wird.

12. Digitale Steuereinheit auf Mikroprozessorbasis mit einem Digitalkommutator nach Anspruch 1, zum wahlweisen Steuern des Zündens von Statorphasen in Synchronismus mit der Rotorwinkelposition eines mehrphasigen geschalteten Reluktanzmotors über einen breiten Drehzahlbereich, gekennzeichnet durch:

eine Mikroprozessoreinrichtung (32) zum Liefern eines Voreilwinkelsignals, das eine gewünschte Verschiebung der Einschaltwinkelposition einer Sequenz von Statorphasenzündimpulsen gemeinsamer Impulsbreite darstellt, eines Schiiesswinkelsignals, das eine gewünschte Impulsbreite für die Zündimpulse angibt, und eines Sollstromsignais; die Kommutierungseinrichtung (36) zum Empfangen und Verarbeiten des Voreilwinkelsignals, des Schiiesswinkelsignals und eines Rotorwinkelposi-tionssignals, das die Augenblicksrotorwinkelposi-tion angibt, und zum Erzeugen von Phasenzündbe-fehlsimpulsen für jede Statorphase, eine Festspeichereinrichtung (42, 60) zum Speichern von verschiedenen Sequenzen der Zündimpulse aufweist, wobei jede Sequenz als wenigstens ein Digitalwort in jeweils einem von mehreren adressierbaren Speicherplätzen der Speichereinrichtung (42, 60) gespeichert wird, wobei jedes Wort dem Schaltzustand von sämtlichen Statorphasen für eine besondere Rotorwinkelposition entspricht und wobei jeder adressierbare Speicherplatz einer anderen Rotorposition über einem elektrischen Zyklus des Motors entspricht, wobei die verschiedenen Sequenzen jeweils einer Differenz in der Impulsbreite der Zündimpulse entsprechen und wobei die Kommutierungseinrichtung (36) weiter eine Summiereinrichtung (44) aufweist zum Summieren des Voreilwinkelsignals und des Rotorpositionssignals, um ein Adresssignal zum Adressieren des Festspeichers (42, 60) in Synchronismus mit der Augenblicksrotorposition zu erzeugen, und wobei die Kommutierungseinrichtung (36) schliesslich eine Schliesswinkeleinrichtung (48) aufweist, mittels welcher auswählbar ist, welche der Zündsequenzen durch das Adresssignal gemäss dem aus der Mikro-

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

7

13

CH 680 178 A5

14

Prozessoreinrichtung (32) empfangenen Schliess-winkeisignal zu adressieren ist; und eine stromgeregelte Wechselrichtereinrichtung (34) zum Empfangen des Sollstromsignals aus der Mikroprozessoreinrichtung (32) und der Phasen-schaltbefehlsimpulse aus der Kommutierungseinrichtung (36), um daraus eine Statorphasenzündim-pulsfolge für jede Statorphase zu erzeugen.

13. Steuereinheit nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die in dem Festspeicher (42, 60) gespeicherten Wörter die Schaltzustände in den Rotorpositionen für mehrere der Sequenzen darstellen und dass die Kommutierungseinrichtung (36) weiter Multiplexereinrichtungen (62, 64, 66) aufweist, die mit der Mikroprozessoreinrichtung (32) verbunden sind und auf das Schliesswinkelsi-gnal ansprechen, um zwischen den mehreren Sequenzen zu unterscheiden.

14. Steuereinheit nach Anspruch 12 oder 13, gekennzeichnet durch eine Rotorpositionsabfühlein-richtung (38, 40), die mit dem Motor verbunden ist, um das Rotorwinkelpositionssignal zu erzeugen.

15. Steuereinheit nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorpositionsabfühlein-richtung einen Drehmelder (38) und einen mit diesem verbundenen Drehmelder/Digitalwandler (40) aufweist.

16. Verfahren zum Betrieb eines Digitalkommutators gemäss Anspruch 1, zum Abgeben von Zündimpulsen einstellbaren Zündwinkels an einen Wechselrichter eines mehrphasigen geschalteten Reluktanzmotors zum wahlweisen Ein- und Ausschalten des Stroms in den Statorphasen des Motors in Synchronismus mit der Rotorposition, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

Speichern wenigstens eines Standardmehrphasen-zündmusters in einem nichtflüchtigen Speicher, so dass die Binärdarstellungen eines Zündzustands jeder Statorphase für aufeinanderfolgende Rotorwinkel über einem elektrischen Zyklus des Motors an aufeinanderfolgenden adressierbaren Speicherplätzen in dem Speicher abgespeichert werden; Liefern einer ersten Digitaldarstellung der Augen-blicksrotorwinkelposition;

Liefern einer zweiten Digitaldarstellung eines gewünschten Voreilwinkels, der eine gewünschte Verschiebung des Speicherplatzes des Zündmusters in bezug auf den Rotorwinkel darstellt;

Addieren der ersten und der zweiten Digitaldarstel-iung, um ein zusammengesetztes Adresssignal zu erzeugen; und Adressieren des Speichers mit dem Adresssignal in Synchronismus mit der Digitaldarstellung der Augenblicksrotorwinkelposition, so dass das um den Voreilwinkel verschobene Zündmuster aus der Speichereinrichtung ausgelesen werden kann. (Fig. 3)

17. Verfahren nach Anspruch 16, gekennzeichnet durch folgende weitere Schritte:

Speichern von Standardzündmustern unterschiedlicher Impulsbreite in unterschiedlichen Speicherabschnitten; und Abgeben eines Verweilzeitsignals an den Speicher, das eine gewünschte Impulsbreite angibt, um anzugeben, welcher Abschnitt des Speichers zu irgendeiner bestimmten Zeit zu adressieren ist.

18. Verfahren zum Betrieb eines Digitalkommutators gemäss Anspruch 1, zum Steuern des Schaltens der Phasen eines mehrphasigen geschalteten Reluktanzmotors mit Phasenzündimpulsen auf eine Weise, die eine Veränderung der Zeitsteuerung des Schaltens in bezug auf die Rotorposition gestattet, gekennzeichnet durch folgende Schritte: Speichern von Information, die ein erstes Zündmuster von Statorphasenzündimpulsen über einem elektrischen Zyklus des Motors als Funktion der Rotorposition angibt, in einem digitalen nichtflüchtigen Speicher, wobei jeder Impuls des Musters die gleiche Dauer und einen Einschaltwinkel hat, der einer anderen Anfangsrotorposition entspricht; Empfangen eines binären Positionssignals, das die Augenblicksrotorwinkelposition darstellt;

Modifizieren des Positionssignals, um ein modifiziertes Positionssignal zu erzeugen, das so eingestellt ist, dass eine gewünschte Verschiebung der Impulse in bezug auf ihre Anfangsrotorpositionen erzielt wird; und

Verwenden des modifizierten Positionssignals zum Adressieren des Speichers und zum Auslesen von Information aus demselben in Synchronismus mit der Augenblicksrotorwinkelposition, wodurch die Lage der Zündimpulse und demgemäss die Zeitsteuerung des Schaltens nach Bedarf eingestellt werden kann. (Fig. 6)

19. Verfahren nach Anspruch 18, bei dem das erste Zündmuster in einem ersten Abschnitt des Speichers gespeichert wird, gekennzeichnet durch folgende weitere Schritte:

Speichern von anderen Zündmustern von Impulsen, die sich von dem ersten Muster nur in der Impulsbreite unterscheiden, in anderen Abschnitten des Speichers; und

Adressieren von vorbestimmten Speicherabschnitten mit dem modifizierten Positionssignal in Abhängigkeit von der gewünschten Impulsbreite der Zündimpulse.

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

8