DE19826752A1

DE19826752A1 - Vorrichtung zur Steuerung der Phase und/oder Amplitude von einem hochpoligen Synchronmotor zugeführten Strömen

Info

Publication number: DE19826752A1
Application number: DE19826752A
Authority: DE
Inventors: Uwe Schaefer
Original assignee: ABB Daimler Benz Transportation Schweiz AG; ABB Daimler Benz Transportation Technology GmbH
Current assignee: Alstom Transportation Germany GmbH
Priority date: 1998-06-13
Filing date: 1998-06-13
Publication date: 1999-12-16

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung von einem hochpoligen Synchronmotor zuzuführenden Strömen. Um ein gewünschtes Drehmoment zu erzielen, wird die Phase und/oder Amplitude in Abhängigkeit von dem elektrischen Drehwinkel des Synchronmotors geregelt. Hierzu wird ein Drehwinkelgeber verwendet, der ein von der Motorwelle (1) angetriebenes Zahnrad (2) und einen durch die Stellung des Zahnrades beeinflußten Sensor (3, 4) aufweist. Das Ausgangssignal des Drehwinkelgebers dient zur Steuerung der Phase und/oder Amplitude der zu erzeugenden Ströme. Eine genaue Erfassung des Drehwinkels erfolgt dadurch, daß die Anzahl der Zähne des Zahnrades der Anzahl der Polpaare des Synchronmotors entspricht, und daß weiterhin die Kontur der Zähne so ausgebildet ist, daß jede Winkelstellung des Zahnrades innerhalb einer Zahnteilung einen dieser Winkelstellung zugeordneten, das Ausgangssignal des Sensors bestimmenden Abstand der Zahnkontur von dem Sensor aufweist. Zweckmäßig ist die Zahnkontur derart ausgebildet, daß das Ausgangssignal des Drehwinkelgebers über eine Zahnteilung sinusförmig ist. Der Drehwinkelgeber weist vorzugsweise zwei Sensoren auf, die bezüglich einer Zahnteilung um 90 DEG (elektrischer Drehwinkel) gegeneinander versetzt sind. Hierdurch kann nicht nur der Drehwinkel erfaßt werden, sondern es kann auch die Drehrichtung des Motors festgestellt werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bekannte Vorrichtungen zur Erzeugung von Strömen mit vom elektrischen Drehwinkel abhängiger Phase und/oder Amplitude bei einem über Stromrichter betriebenen, hochpoligen Synchronmotor, um gewünschte Drehmomente zu erzielen, gehen von einem rechteckförmig einzuprä genden Strom aus, dessen Amplitude das Drehmoment bestimmt. Die Polaritäts-Umschaltzeitpunkte (bei üb lichen Synchronmotoren) bzw. das Ein-/Ausschalten des Stroms (bei geschalteten Reluktanzmotoren) werden von Schaltzeitpunkt-Gebern bestimmt. Derartige Geber be stehen üblicherweise aus einem auf der Motorwelle angebrachten Zahnrad und diesem stationär gegenüber liegenden induktiven oder Hall-Sensoren. Diese geben unter dem Einfluß des sich drehenden Zahnrades mit Hilfe von Schwellwertschaltern pro Läuferpol zwei Umschaltpunkte bzw. je einen Ein- und Ausschaltpunkt aus. Eine Verschiebung dieser Schaltzeitpunkte oder eine Abweichung von dem rechteckförmigen Stromsoll wert ist mit diesen Gebern nicht möglich.

Insbesondere für das Anfahren benötigen Regelungen für hochpolige Synchronmotoren wie zum Beispiel Transversalflußmotoren eine relativ genaue Informa tion über den aktuellen Drehwinkel des Läufers, um dem Motor für die Drehmomentbildung hinsichtlich Pha se und/oder Amplitude optimale Ströme zuführen zu können. Beispielsweise kann gefordert werden, daß beim Anfahren jegliche Rückwärtsdrehung des Motors vermieden wird. Bei sehr hohen Drehzahlen kann es erwünscht sein, durch eine geregelte Phasenvoreilung des Stroms einen Konstantleistungsbereich einzustel len. Hierzu ist eine Information über nur zwei Schaltzeitpunkte pro Läuferpol jedoch unzureichend.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Erzeugung von einem hochpoligen Synchronmotor zuzuführenden Strömen mit vom elektri schen Drehwinkel des Synchronmotors abhängiger Phase und/oder Amplitude, um gewünschte Drehmomente zu er zielen, mit einem Drehwinkelgeber, der ein von der Motorwelle angetriebenes Zahnrad und einen durch die Stellung des Zahnrades beeinflußten Sensor aufweist und dessen Ausgangssignal zur Steuerung der Phase und/oder Amplitude der zu erzeugenden Ströme verwen det wird, dahingehend zu verbessern, daß die Phase und/oder Amplitude der dem Synchronmotor zugeführten Ströme mit höherer Genauigkeit gesteuert werden kann, so daß ein optimales Verhalten des Motors beim Anfah ren und Anhalten sowie auch während des Laufes er zielt werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale. Vorteilhafte Weiterbildungen der erfin dungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich aus den Unter ansprüchen.

Dadurch, daß die Anzahl der Zähne des Zahnrades der Anzahl der Polpaare des Synchronmotors entspricht, und daß die Kontur der Zähne so ausgebildet ist, daß jede Winkelstellung des Zahnrades innerhalb einer Zahnteilung einen dieser Winkelstellung zugeordneten, das Ausgangssignal des Sensors bestimmenden Abstand der Zahnkontur von dem Sensor aufweist, stehen der Stromerzeugungsvorrichtung Informationen über eine größere Anzahl von Winkelwerten pro Zahnteilung bzw. Läuferpol zur Verfügung, so daß die Stromregelung mit einer entsprechend höheren Genauigkeit durchgeführt werden kann.

Vorzugsweise ist die Zahnkontur derart ausgebildet, daß das Ausgangssignal des Drehwinkelgebers über eine Zahnteilung sinusförmig ist. Damit wird dem Umstand Rechnung getragen, daß bekannte Auswerteschaltungen, die zum Beispiel für Resolver genutzt werden, bevor zugt sinus- bzw. cosinusförmig über je eine volle Periode verlaufende Sensorsignale verwenden.

Weiterhin weist der Drehwinkelgeber vorteilhaft zwei Sensoren auf, die bezüglich einer Zahnteilung um 90° (elektrischer Drehwinkel) gegeneinander versetzt sind. Durch Auswertung der Ausgangssignale beider Sensoren kann nicht nur die genaue aktuelle Winkel stellung, sondern auch die Drehrichtung des Motors erfaßt werden.

Innerhalb einer Zahnteilung kann der Drehwinkel des Läufers absolut festgestellt werden. Dies ist für die Steuerung des dem Motor zuzuführenden atroms zur Er zielung eines gewünschten Drehmoments ausreichend.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläu tert. Diese zeigt ein auf einer Welle 1 eines vielpo ligen Synchronmotors drehfest angeordnetes Zahnrad 2 mit einer Anzahl von Zähnen, die der Anzahl der Pol paare des Synchronmotors entspricht. Gegenüber dem Zahnrad 2 sind zwei Entfernungssensoren 3 und 4 an geordnet, die jeweils ein dem in der zur Mitte der Welle 1 weisenden Sensorrichtung bestehenden Abstand zur Außenkontur des jeweils gegenüberliegenden Zahnes entsprechendes Ausgangssignal erzeugen. Die Außenkon tur der Zähne ist so ausgebildet, daß bei jedem Dreh winkel innerhalb einer Zahnteilung der Abstand zum gegenüberliegenden Entfernungssensor 3 bzw. 4 unter schiedlich ist. Jeder Entfernungssensor 3 bzw. 4 er zeugt somit ein sich mit dem Drehwinkel stetig ver änderndes Ausgangssignal. Vorzugsweise wird eine sol che Zahnkontur gewählt, daß das Ausgangssignal der Entfernungssensoren 3 und 4 jeweils sinusförmig ist. Als Entfernungssensoren eignen sich insbesondere Hall-Sensoren oder induktiv wirkende Sensoren.

Das Ausgangssignal der Entfernungssensoren 3 bzw. 4 wiederholt sich während einer Umdrehung des Zahnrades 2 entsprechend der Anzahl der Zähne. Da sich die elektrische Strom- und Spannungskurvenform des Motors während einer Umdrehung der Welle 1 entsprechend der Polpaarzahl wiederholt, wird die Anzahl der Zähne gleich der Anzahl der Polpaare gewählt, um so die gleiche Periodizität für die Motorströme und die Aus gangssignale des Drehwinkelgebers zu erhalten.

Eine an die Entfernungssensoren 3 und 4 angeschlosse ne Auswerteelektronik 5, welche analog oder digital arbeiten kann, setzt die empfangenen Entfernungsin formationen in zugeordnete Informationen über den elektrischen Winkel um, wobei ein elektrischer Winkel von 360° einer Zahnteilung entspricht.

Die beiden Entfernungssensoren 3 und 4 sind in Dreh richtung des Zahnrades 2 um einen elektrischen Winkel α von 90° gegeneinander versetzt. Damit kann nicht nur der jeweilige Drehwinkel innerhalb einer Zahntei lung absolut erfaßt werden, sondern durch die Auswer tung der beiden Sensorausgangssignale kann auch die Drehrichtung des Zahnrades 2 bzw. des Motors festge stellt werden.

Claims

1. Vorrichtung zur Erzeugung von einem hochpoligen Synchronmotor zuzuführenden Strömen mit vom elektrischen Drehwinkel des Synchronmotors ab hängiger Phase und/oder Amplitude, um gewünschte Drehmomente zu erzielen, mit einem Drehwinkelge ber, der ein von der Motorwelle (1) angetriebe nes Zahnrad (2) und einen durch die Stellung des Zahnrades (2) beeinflußten Sensor (3, 4) auf weist, und dessen Ausgangssignal zur Steuerung der Phase und/oder Amplitude der zu erzeugenden Ströme verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Zähne des Zahnrades (2) der Anzahl der Polpaare des Synchronmotors ent spricht, und daß die Kontur der Zähne so ausge bildet ist, daß jede Winkelstellung des Zahnra des (2) innerhalb einer Zahnteilung einen dieser Winkelstellung zugeordneten, das Ausgangssignal des Sensors (3, 4) bestimmenden Abstand der Zahn kontur von dem Sensor (3, 4) aufweist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß der Sensor (3, 4) ein Hallsensor ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß der Sensor (3, 4) ein induktiver Sensor ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahnkontur der art ausgebildet ist, daß das Ausgangssignal des Drehwinkelgebers über eine Zahnteilung sinusför mig ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehwinkelgeber zwei Sensoren (3, 4) aufweist, die bezüglich ei ner Zahnteilung um 90° (elektrischer Drehwinkel) gegeneinander versetzt sind.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Synchronmotor ein Transversalflußmotor ist.