DE69709940T2

DE69709940T2 - Vorrichtung zur erkennung der winkelposition für die lageregelung eines synchronmotors mit permanent-magnet-erregung

Info

Publication number: DE69709940T2
Application number: DE69709940T
Authority: DE
Inventors: Ulrich Schroeder
Original assignee: Societe de Mecanique Magnetique SA
Current assignee: Societe de Mecanique Magnetique SA
Priority date: 1996-09-10
Filing date: 1997-09-10
Publication date: 2002-08-22
Anticipated expiration: 2017-09-11
Also published as: EP0925641B1; JP3305331B2; FR2753319B1; EP0925641A1; US6236183B1; WO1998011662A1; FR2753319A1; JP2001500357A; DE69709940D1

Description

Die Erfindung zielt ab auf eine Vorrichtung zum Erfassen der Winkelstellung für die Steuerung eines dauermagnetisch erregten Synchronmotors, der einen Rotor ohne Dämpferkäfig, einen mit einer Anordnung aus Spulen ausgestatteten Stator, einen Frequenzwandler und Steuerschaltungen für den Frequenzwandler besitzt.
Der dauermagnetisch erregte Synchronmotor wird in zunehmendem Maß für Hochgeschwindigkeitsanwendungen eingesetzt, die unter anderem eine große Volumenleistung und geringe Rotorverluste erforderlich machen, so z. B. Turbomolekularpumpen, schnell laufende Spindeln oder Luftkompressoren.
Die Veränderung der Geschwindigkeit bei einem Synchronmotor mit dauermagrnetischer Erregung erfordert im allgemeinen einen Frequenzwandler (Wellenformer). Der Wandler gibt in der Amplitude und der Frequenz veränderliche Ströme auf die Motorspule. Die Steuerung wird üblicherweise mit einem "geschlossenen Kreislauf" realisiert: ein Winkelstellungsaufnehmer liefert Information über die augenblickliche Rotorstellung an den Wandler, der daraufhin an den Stator des Motors Ströme liefert, die in der Phase und der Amplitude eingestellt sind. Auf diese Weise wird der Motor gezwungen, synchron zu drehen, und ein Dämpfungskäfig (der zusätzliche Rotorverluste induzieren würde) ist nicht mehr notwendig.
Die Regulierung der Geschwindigkeit erfolgt im allgemeinen mit Hilfe von zwei in Kaskade geschalteten Regelkreisen: ein interner Stromkreis regelt die Amplitude und die Phase der Ströme - die damit proportional zum Drehmoment des Motors sind -, und ein zweiter Kreis regelt die Drehzahl. Der Ausgang des Geschwindigkeitsreglers bildet die Vorgabe für den Stromregler.
Die Leistungsstufe des Wandlers wird im allgemeinen durch eine Brücke aus sechs elektronischen Schaltern gebildet, die von einer Gleichspannungsquelle gespeist und mit einer erhöhten Frequenz ein- und ausgeschaltet werden, wozu vom Pulsweitenmodulationsverfahren Gebrauch gemacht wird.
Die Steuerung der oben angesprochenen Wandler-Motor-Anordnungen bringt den Einsatz von Halleffekt-Aufnehmern, induktiven Aufnehmern, Resolvern oder optischen Aufnehmern (absoluten oder inkrementalen) mit sich.
Die US-A-4 764 711 beschreibt ein Steuersystem für einen bürstenlosen Gleichstrommotor, das ein Drehgeschwindigkeitssignal und ein Motorstellungssignal liefert und mit Hilfe einer Strom- und Spannungsmeßeinrichtung für eine Wicklung des Motors ausgebildet ist.
Die vorliegende Erfindung zielt darauf ab, die Notwendigkeit des Einsatzes von einem oder mehreren Winkelstellungsdetektoren zu beseitigen, und sie zielt insbesondere darauf ab, die Verwendung von aktiven Halleffekt-Aufnehmern zu vermeiden, die statisch arbeiten und ein Ein/Aus-Signal liefern, dabei allerdings anfällig und nicht zuverlässig sind, dazu noch Probleme der Widerstandsfähigkeit gegenüber Strahlungen aufweisen, wobei auch auf den Einsatz von induktiven Abnehmern vom Typ "Top Tour" verzichtet werden soll, die pro Umdrehung einen Impuls liefern, allerdings eine Justierung für die Winkelstellung erforderlich machen, die in der Praxis sehr schwierig und kostspielig ist, da eine Steuerung nur bei Drehung möglich ist.
Die vorliegende Erfindung hat also zum Ziel, eine Winkelstellungs-Information in einer Form zu liefern, die analog ist zu derjenigen, die man mit Hilfe eines induktiven Aufnehmers vom Typ "Top Tour" gewinnt oder gar mit Hilfe eines Halleffekt- Aufnehmers, ohne daß aber derartige Aufnehmer zum Einsatz gelangen.
Erfindungsgemäß werden die Ziele erreicht mit Hilfe einer Vorrichtung zum Erfassen der Winkelstellung zum Steuern eines dauermagnetisch erregten Synchronmotors, der einen Rotor ohne Dämpferkäfig, einen mit einer Spulenanordnung ausgerüsteten Stator, einen Frequenzwandler und Steuerschaltungen des Frequenzwandlers aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Berechnungsschaltung aufweist, welche enthält: eine Meßeinrichtung zum Bestimmen der Spannung Vu einer gegebenen Phase U, eine Einrichtung zum Abgreifen einer Information über die Stärke iu des Stroms in der betrachteten Spule am Ausgang des Wandlers oder an Anschlüssen des Stators, eine erste Subtrahiereinrichtung, mit der von der von der Meßeinrichtung ermittelten Spannung Vu eine Größe abgeleitet werden soll, die dem ohmschen Spannungsabfall an dem von einem Strom iu durchflossenen Widerstand der betrachteten Spule entspricht, eine Integriereinrichtung zum Integrieren des von der ersten Subtrahiereinrichtung ausgegebenen Signals, eine zweite Subtrahiereinrichtung, um von dem von der Integriereinrichtung ausgegebenen Signal eine Größe abzuleiten, die dem induktiven Spannungsabfall an der Induktivität der von dem Strom iu durchflossenen betrachteten Spule entspricht, und eine Vergleicherschaltung zum Erfassen der Nulldurchgänge des sinusförmigen Rotorfluß-Signals, das von der zweiten Substrahiereinrichtung ausgegeben wird, um damit ein Informationssignal zu liefern, welches die Winkelstellung des Rotors bezüglich des Stators angibt.
Die Berechnungsschaltung wird im wesentlichen mit Hilfe einer geringen Anzahl von Operationsverstärkern realisiert.
Erfindungsgemäß wird die Winkelstellung des Rotors nachgewiesen durch besondere Verwendung der Informationen über Spannung und Strom, die am Ausgang des Wandlers oder an den Anschlüssen des Motors selbst andauernd verfügbar sind, ohne daß die Notwendigkeit besteht, spezielle Signalabnehmer zum Erfassen der Winkelstellung einzusetzen.
Die Berechnungsschaltung ermöglicht die Bereitstellung mehrerer, um 120º versetzter Ausgangssignale.
Die Berechnungsschaltung ermöglicht das Erhalten eines Rotorflußsignals, welches das Abbild des von den Rotormagneten erzeugten Flusses ist und eine Phase und eine Amplitude besitzt, die nicht durch den Betrieb des Wandlers gestört sind.
Die Erfindung betrifft gleichermaßen eine Steuervorrichtung für einen dauermagnetisch erregten Synchronmotor und eine Antriebsvorrichtung für eine drehende Anordnung, die auf aktiven Magnetlagern gelagert ist, wie dies in den beigefügten Ansprüchen definiert ist.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Lektüre der folgenden Beschreibung spezieller Ausführungsformen der Erfindung, die beispielhaft unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen präsentiert wird. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Ansicht der Verschaltung der Hauptbestandteile eines dauermagnetisch erregten Synchronmotors, bei dem die erfindungsgemäße Erfassungsvorrichtung angewendet wird;
Fig. 2 eine schematische Darstellung entsprechend einer Phase (der Phase U) des in Fig. 1 gezeigten Motors;
Fig. 3 und 4 schematische Blockschaltbilder von Schaltungen zum Gewinnen eines Rotorflußsignals aus Informationen über Spannung und Strom, die an den Motoranschlüssen nach Fig. 1 verfügbar sind;
Fig. 5 ein schematisches Blockdiagramm einer Anordnung von Schaltungen, die eine Berechnungsschaltung für eine erfindungsgemäße Erfassungsvorrichtung bilden;
Fig. 6 den Signalverlauf, der mit Hilfe der erfindungsgemäßen Erfassungsvorrichtung für den Fall eines im Wartezustand verharrenden Motors bei einem Null betragenden Motorstrom gewonnen wird;
Fig. 7 den Signalverlauf, der mit einer erfindungsgemäßen Erfassungsvorrichtung für den Fall gewonnen wird, daß ein Motor einen Motorstrom maximaler Stärke führt;
Fig. 8 den Signalverlauf, der mit einer erfindungsgemäßen Erfassungsvorrichtung für den Fall ermittelt wird, daß ein Motor als Generator bei einem Motorstrom maximaler Stärke und einem Vorzeichen arbeitet, welches demjenigen des Motorstroms gemäß Fig. 7 entgegengesetzt ist; und
Fig. 9 ein Winkelstellungssignal, das mit einer Geschwindigkeitsreferenz-Impulsvorrichtung erhalten wurde.
In Fig. 1 erkennt man die symbolische Darstellung des Stators 10 eines dauermagnetisch erregten Synchronmotors, wobei der Stator Spulen 101, 102 und 103 aufweist, die den Phasen U, V und W entsprechen, und die zwischen einem gemeinsamen Punkt 100 und den Anschlüssen 51, 52 und 53 liegen.
Im Betrieb kann jede Spule 101, 102 und 103 jeder Phase U, V und W dargestellt werden durch eine elektromotorische Kraft 11, 12 bzw. 13, die der induzierten Leerlaufspannung entspricht, einen Widerstand 14, 15 und 16 und einer Induktivität 17, 18 und 19.
Die Anschlüsse 51, 52 und 53 des Stators 10 sind durch Leitungen 71, 72 und 73 mit Anschlüssen 61, 62 und 63 des Ausgangs eines Frequenzwandlers 20 oder Wellenformers verbunden.
Dem Frequenzwandler 20 ist eine Wandler-Steuerschaltung 30 zugeordnet. Die Leistungsstufe des Wandlers 20 enthält eine Brücke aus sechs elektronischen Schaltern 21 bis 26, die von einer Quelle 27 einer Gleichspannung VDC gespeist werden. Die Schalter 21 bis 26 werden angesteuert von der Steuerschaltung 30 über Steuerleitungen 31 bis 33. Die Steuerung der Schalter erfolgt als Ein-Aus- Schaltung bei erhöhter Frequenz in der Größenordnung von 10 bis 100 kHz mit Hilfe der Pulsweitenmodulation (PWM (Pulse Width Modulation)). An den Anschlüssen des Stators 10 des Motors erscheinen folglich Spannungs-"Bföcke" mit einer Amplitude von +VDC oder -VOC.
Die Statorströme iu, iv, iw können einer sinusförmigen oder einer Rechteck-Modulation unterzogen werden. Die Sinus-Modulation ist im Stadium der Signalaufbereitung komplizierter, trägt aber dazu bei, die Leistungsmerkmale des Motors insofern zu verbessern, als die Rotorerwärmung geringer ausfällt und die Drehung von besserer Qualität ist. Die Rechteckmodulation ist einfacher zu realisieren und wird insbesondere bei Motoren geringer Leistung genutzt (bei bürstenlosen Motoren).
Üblicherweise macht die Kombination eines dauermagnetisch erregten Synchronmotors und eines Wandlers von mehreren Winkelstellungs-Signalaufnehmern Gebrauch, die je nach Anwendung vom Halleffekt-Typ, vom induktiven Typ oder vom Resolver- oder optischen Typ sein können.
Im Fall von Turbomolekular-Pumpen und Kompressoren, bei denen man mindere Leistungsmerkmale bei geringer Drehzahl hinnimmt, und bei denen das zu liefernde Anlaufdrehmoment gering ist, kann man das Anfahren des Systems mit dem Prozeß paralleler Steuerung durchführen. In diesem Fall verwendet man üblicherweise einen einzigen Signalaufnehmer, z. B. einen induktiven Aufnehmer vom Typ "Top Tour", der pro Umdrehung einen Impuls liefert. Bei der Verwendung eines solchen induktiven Signalaufnehmers muß die Umschaltung von der Offenschleifen-Steuerung zur Regelung mit Regelschleife dann erfolgen, wenn das Signal des Aufnehmers stabil ist, d. h. in der Praxis bei Frequenzen oberhalb von etwa 10 bis 20 Hz.
Für eine optimale Steuerung des Motors ist die Relation der Phase des von dem induktiven Aufnehmer ausgegebenen Signals zu den Polen der Rotormagneten des Synchronmotors sehr wichtig. Das Justieren der Winkelstellung bezüglich der Magnete ist schwierig zu realisieren und kostspielig. Die erfindungsgemäße Erfassungsvorrichtung, wie sie in Fig. 1 dargestellt ist, ermöglicht das Vermeiden der Unzulänglichkeiten, die mit dem Einsatz eines oder mehrerer Winkelstellungsfühler verbunden sind, die empfindliche Justierarbeiten erforderlich machen.
Die erfindungsgemäße Erfassungsvorrichtung enthält im wesentlichen eine Berechnungsschaltung 40, die über Leitungen 85, 86 und 87 Spannungsinformationen empfängt, die ständig an den Anschlüssen 61, 62 und 63 des Ausgangs des Wandlers 20 oder an Eingangsanschlüssen 51, 52 und 53 des Stators 10 des Motors verfügbar sind.
Gleichermaßen werden Informationen iu, iv über die Ströme in den Spulen 101, 102 in dem Wandler 20 über Leitungen 81, 82 abgegriffen und gleichzeitig der Berechnungsschaltung 40 und der Schaltung 30 zur Steuerung des Wandlers zugeführt.
Wie weiter unten in Verbindung mit den Fig. 2 bis 5 dargelegt werden wird, kann die Berechnungsschaltung 40 ohne Einsatz eines schwierig zu realsierenden Signalaufnehmers ein Signal an die Wandler-Steuerschaltung 30 über eine Leitung 83 liefern, welches zuverlässige Vorderflanken aufweist, die kennzeichnend sind für die Winkelstellung des Rotors in Bezug auf den Stator.
Die Berechnungsschaltung 40 kann außerdem über eine Leitung 84 ein Geschwindigkeitssignal liefern, wobei pro Umdrehung ein Impuls geliefert wird, um ein automatisches Umwuchtsteuersystem zu steuern, welches zu aktiven Magnetlagern einer Drehmaschine gehört, die von dem Synchronmotor angetrieben wird. Falls das Geschwindigkeitssignal über die Leitung 84 geliefert wird, ist die Relation der Phase des auf das automatische Unwuchtsteuersystem gegebenen Signals bezüglich der Winkelstellung des Rotors des Motors nicht von Bedeutung, im Gegensatz zu dem Fall, daß über die Leitung 380 das Signal zum Steuern des Wandlers 20 durch die Steuerschaltung 30 gegeben wird.
Läßt man den dauermagnetisch erregten Synchronmotor im Leerlauf drehen, so kann man an den Klemmen des Motors eine Wechselspannung messen, nämlich die induzierte Leerlaufspannung. Die Amplitude der induzierten Leerlaufspannung ist proportional zur Umdrehungsgeschwindigkeit, und im Fall eines zweipoligen Motors entspricht ihre Frequenz der Drehzahl.
Ein Integrieren dieser Spannung mit Hilfe eines elektronischen Integrators liefert ein "Rotorfluß"-Signal, welches eine Abbildung des von den Rotormagneten erzeugten Flusses ist. Die Amplitude dieses Flußsignals ist konstant, die Phase des Signals enthält Information über die Winkelstellung des Rotors in Bezug auf den Stator.
Allerdings ist dieses Flußsignal, welches man durch Integrieren der Klemmenspannung des Motors erhält, stark verfärbt, da der Wandler Spannungsblöcke zuführt, um Strom in der Spulenanordnung fließen zu lassen. In dem Luftspalt überlagert sich zwei Induktionsschlüssel: der von den Magneten stammende Fluß und der von den Strömen in der Statorwicklung erzeugte Fluß.
Die Berechnungsschaltung 40, die die Auswertung eines Rotorflußsignals ermöglicht, kompensiert den Strörungseinfluß des von der Spule generierten Flusses und garantiert die Bildung eines Flußsignals, dessen Phase und Amplitude praktisch nicht mehr durch die Wirkung des Wandlers 20 verzerrt sind. Das Rotorflußsignal kann somit auf sichere Weise zur Bildung von Winkelstellungssignalen oder Geschwindigkeitssignalen genutzt werden, die über die Leitungen 83 und 84 ausgegeben werden.
Ein Ausführungsbeispiel der Berechnungsschaltung 40 soll anhand der Fig. 2 bis 5 beschrieben werden.
Fig. 2 zeigt das Ersatzschaltbild einer Wicklung 101 entsprechend der Phase U des Motors. Die induzierte Leerlaufspannung Viu, symbolisiert durch die elektromotorische Kraft 11, wird erhalten, indem man von der gemessenen Phasenspannung Vu den Term (iu·Rm) subtrahiert, der den Spannungsabfall an dem Ohmschen Widerstand 14 der Spule 101 und des dazugehörigen Kabels repräsentiert, dessen Wert Rm beträgt, und den Term (Lm·diu/dt) subtrahiert, der den Spannungsabfall an der Induktivität 17 der Spule 101 repräsentiert, und deren Wert Lm beträgt. Der erstgenannte Term ist proportional zu dem Wert Rm des Widerstands und zu dem in der Phase U gemessenen Strom iu, der zweitgenannte
Term ist proportional zum Wert Lm der Induktivität 17 und der Ableitung diu/dt des in der Phase U gemessenen Stroms iu.
Ausgehend von dem in Fig. 2 gezeigten Ersatzschaltbild fassen sich folgende Gleichungen angeben:
wobei Φu den Fluß der durch den Rotor erfolgten Erregung repräsentiert, gewonnen nach Integration der induzierten Leerlaufspannung Viu, und Ti eine Konstante ist.
Fig. 3 zeigt als Blockdiagramm ein Beispiel dafür, wie es möglich ist, in der Berechnungsschaltung 40 das Schlußsignal der Rotorerregung Φu aus Informationen über die Spannung Vu und den Strom iu der Phase U, die von den Leitungen 85 und 81 an die Berechnungsschaltung 40 angelegt werden (Fig. 1), zu gewinnen. In dem Blockdiagramm der Fig. 3 empfängt ein Subtrahierer 111 das Spannungssignal Vu, von welchem die Terme Rm·iu und Lm·diu/dt subtrahiert werden, welche in Schaltungen 112 bzw. 113 gebildet werden, denen der Strom iu zugeführt wird.
Das von dem Subtrahierer 111 ausgegebene Signal Viu wird in der Integrationsschaltung 114 integriert, um das Erregungsflußsignal Φu zu erhalten.
Die schematische Darstellung der Fig. 3 weist dennoch die Unzulänglichkeit auf, die Realisierung der Ableitung in der Schaltung 113 vorzunehmen, was die Realisierung verkompliziert.
Fig. 4 zeigt als schematisches Blockdiagramm eine weitere Realisierung, die keine Ableitung benötigt.
In diesem Fall wird der erstgenannte Term C&sub1; = Rm·iu in der Schaltung 212 gebildet, um allein für sich von dem Spannungssignal Vu in dem Subtrahierer 211 subtrahiert zu werden. Das Ausgangssignal des Subtrahierers 211 wird in der Integrierschaltung 214 einer Integration unterzogen, und der Effekt des induktiven Spannungsabfalls wird am Ausgang des Integrators 214 durch Bildung eines zweiten Terms C&sub2; = Lm/Ti·iu in der Schaltung 213 kompensiert, die keine Ableitung beinhaltet, wobei der zweite Term einfach mit einem zweiten Subtrahierer 215 von dem von der Integrierschaltung 214 ausgegebenen Signal subtrahiert wird.
Das in Fig. 4 dargestellte Schema ermöglicht also das Bilden eines Erregungsflußsignals Φu durch Einsatz von Subtraktionen und einer Integration ohne) die Notwendigkeit, darüber hinaus eine Ableitung vorzunehmen, die in der Praxis stets relativ schwierig zu realisieren ist.
Fig. 5 zeigt ein vollständiges Blockdiagramm einer bevorzugten Ausführungsform der Berechnungsschaltung 40, entsprechend den in der schematischen Darstellung der Fig. 4 enthaltenen Prinzipien.
Die Berechnungsschaltung 40 enthält eine erste Schaltung 41, welche die betreffende Phasenspannung der Phase U aus den Spannungen Vu - v und Vu - w ermittelt, die ihrerseits zwischen einerseits den Leitungen 85 und 86 und andererseits den Leitungen 85 und 87 abgreifbar sind. Die Spannung Vu ist somit ein Drittel der Summe der Spannungen Vu - v und Vu - w. Das Spannungssignal Vu aus der Schaltung 41 wird auf einen ersten Subtrahierer 45 gegeben, der davon den Ohmschen Spannungsabfall in der Spule 101 subtrahiert (der erste Term C&sub1;, der in einer Schaltung 44 gebildet wird). Das von dem Subtrahierer 45 ausgegebene Signal wird in einer Integrierschaltung 42 integriert. Das Ausgangssignal der Integrierschaltung 42 gelangt seinerseits an den Eingang eines zweiten Subtrahierers 47, der einen zweiten Term C&sub2; subtrahiert, welcher in einer Schaltung 46 gebildet wird, um dem Effekt des induktiven Spannungsabfalls in der Spule 101 Rechnung zu tragen. Am Ausgang des zweiten Subtrahierers 47 wird somit das Rotorflußsignal Φu gewonnen.
Die Schaltungen 44 und 46 empfangen die Information über den Strom iu, der über die Leitung 81 in die Berechnungsschaltung 40 gegeben wird.
Das Schlußsignal Φu wird außerdem an einen Vergleicher 43 gegeben, welcher die Nulldurchgänge dieses sinusförmigen Signals Φu feststellt. Die positiven Flanken des Ein-/Aus-Signals am Ausgang des Vergleichers 43 enthalten die Winkelstellung des Rotors in Bezug auf den Stator und bilden Winkelstellungssignale S, die als Überleitungen 83 und 84 in Fig. 1 ausgegeben werden.
Die Berechnungsschaltung 40 läßt sich sehr einfach mit einer geringen Anzahl von billigen Operationsverstärkern realisieren. Die Information über die Ströme iu, iv und iw ist ihrerseits in dem Wandler 20 verfügbar, und die Information über die Spannung Vu, Vv und Vw der Phasen U, V und W läßt sich mühelos aus Spannungssignalen gewinnen, die an den Anschlußklemmen 51, 52 und 53 des Motors verfügbar sind.
Die Integrierschaltung 42 kann aus einem einfachen Filter erster Ordnung mit einer Ätzfrequenz bei etwa 1 Hz gebildet sein. Auf diese Weise vermeidet man jegliches Problem mit der Nullpunktverschiebung.
Die Berechnungsschaltung 40 kann außerdem in der Anordnung integriert sein, die durch den Frequenzwandler 20 und dessen Steuerschaltung 30 gebildet wird.
Die erfindungsgemäße Erfassungsvorrichtung enthält eine vereinfachte Verschallung, lediglich drei Leistungsstränge 85, 86 und 87 zur Bereitstellung von Information über die Spannung. Das Fehlen eines Signalaufnehmers vom Halleffekt-Typ oder eines induktiven Aufnehmers vermeidet Justierprobleme und verbessert die Zuverlässigkeit. In der erfindungsgemäßen Erfassungsvorrichtung ist lediglich die Reihenfolge der Phasen in Bezug auf die Drehrichtung von Bedeutung.
Die erfindungsgemäße Erfassungsvorrichtung ist insbesondere bei Synchronmotoren mit dauermagnetischer Erregung anwendbar, die bei Hochdrehzahlanwendungen eingesetzt werden, welche unter anderem eine große Volumenleistung und geringe Rotorverluste erfordern, wie es z. B. der Fall ist bei Turbomolekularpumpen (300/800 W - 20000/60000 UPM), bei Hochqeschwindigkeits-Werkzeugmaschinenspindeln (15/45 kW - 15000/45000 UPM) und Luftkompressoren (30/500 kW - 40000175000 UPM).
Wenn eine von dem Synchronmotor angetriebene Drehmaschine auf aktiven Magnetlagern gelagert ist, gestattet die erfindungsgemäße Erfassungsvorrichtung die Versorgung des automatischen Unwucht-Steuersystems mit einem stabilen Geschwindigkeitssignal beginnend bei einigen Hertz. Sobald die Frequenz einige Hertz erreicht hat, ermöglicht die Erfindung außerdem das gleichzeitige Regeln des Frequenzwandlers 20, der bis dahin mit einer Offenschleifen-Anlaufsteuerung gearbeitet hat, weiterhin eine Steuerung des automatischen Unwuchtsteuersystems für die aktive magnetische Aufhängung, wobei für beide Funktionen auf jegliche Verwendung von unabhängigen induktiven oder ähnlichen Signalaufnehmern zur Bereitstellung einer Winkelstellungsinformation verzichtet wird, dabei aber die Leistungsfähigkeit der aus dem Wandler 20 und dem Motor 10 bestehenden Anordnung erhalten bleibt.
In den Fig. 6, 7 und 8 ist für ein Beispiel des Motors mit einer Drehzahl in der Größenordnung von 24000 UPM der Verlauf des Rotorflußsignals Φu dargestellt, wie er durch Berechnung mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung gewonnen wird, und zwar jeweils für den Fall, daß der Motor sich im Warte- oder Bereitschaftszustand befindet ("Stand-By"), während der Motorstrom Null beträgt, für den Fall, daß der Motor mit einem maximalen Motorstrom arbeitet, und für den Fall, daß der Motor als Generator bei maximalem Strom arbeitet, wobei allerdings der Strom ein Vorzeichen hat, das demjenigen des Stroms bei normalem Motorbetrieb entgegengesetzt ist.
Zum Vergleich zeigt Fig. 9 den Verlauf eines impulsförmigen Referenzsignals, das mit einem klassischen Winkelstellungsfühler gewonnen wird.
Man erkennt, daß die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Steuern des Synchronmotors ohne Signalaufnehmer einen Impuls beim Nulldurchgang (in den Diagrammen durch einen kleinen Pfeil angedeutet) des sinusförmigen Flußsignals bei jeder Periode des Signals austastet, und daß die Lage dieser Impulse nicht abträglich beeinflußt wird durch die Belastung des Motors, unabhängig davon, ob es sich um den Strom in der Spule des Stators 10 handelt (Fig. 6), um die Funktionsweise als Motor (Fig. 7) oder als Generator (Fig. 8), indem der Nulldurchgang immer in der gleichen Phase wie ein Referenzimpuls "Top Tour" verbleibt, den man mit einem klassischen Signalaufnehmer erhält (Fig. 9). Die am Ausgang der erfindungsgemäßen Impulserfassungsvorrichtung gewonnene Information (Fig. 6 bis 8) läßt sich daher insofern als in der Qualität hervorragend bezeichnen, da ohne den Einsatz irgendeines unabhängigen Signalaufnehmers und ausschließlich unter Nutzung der an den Einschlüssen 51 bis 53 der Phasen des Stators 10 des Motors gearbeitet wird.

Claims

1. Vorrichtung zum Erfassen der Winkelstellung zum Steuern eines dauermagnetisch erregten Synchronmotors, der einen Rotor ohne Dämpferkäfig, einen mit einer Spulenanordnung (101, 102, 103) ausgerüsteten Stator (10), einen Frequenzwandler (20) und Steuerschaltungen (30) des Frequenzwandlers aufweist,

dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Berechnungsschaltung (40) aufweist, welche enthält: eine Meßeinrichtung (42) zum Bestimmen der Spannung Vu einer gegebenen Phase U, eine Einrichtung zum Abgreifen einer Information über die Stärke iu des Stroms in der betrachteten Spule (Rm, Lm) am Ausgang des Wandlers (20) oder an Anschlüssen des Stators (10), eine erste Subtrahiereinrichtung (45), mit der von der von der Meßeinrichtung (41) ermittelten Spannung Vu eine Größe (C1) abgeleitet werden soll, die dem Ohmschen Spannungsabfall an dem von einem Strom iu durchflossenen Widerstand (Rm) der betrachteten Spule entspricht, eine Integriereinrichtung (42) zum Integrieren des von der ersten Subtrahiereinrichtung (45) ausgegebenen Signals, eine zweite Subtrahiereinrichtung (47), um von dem von der Integriereinrichtung (52) ausgegebenen Signal eine Größe (C2) abzuleiten, die dem induktiven Spannungsabfall an der Induktivität (Lm) der von dem Strom iu durchflossenen betrachteten Spule entspricht, und eine Vergleicherschaltung (43) zum Erfassen der Nulldurchgänge des sinusförmigen Rotorfluß-Signals, das von der zweiten Substrahiereinrichtung (47) ausgegeben wird, um damit ein Informationssignal zu liefern, welches die Winkelstellung des Rotors bezüglich des Stators (10) angibt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Berechnungsschaltung (40) im wesentlichen mit Hilfe einer geringen Anzahl von Operationsverstärkern realisiert ist.

3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Integrationseinrichtung (42) ein Filter erster Ordnung mit einer Grenzfrequenz von etwa 1 Hz aufweist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Berechnungsschaltung (40) die Abgabe mehrerer Ausgangssignale ermöglicht, die in ihrer Phase um 120 Grad versetzt sind.

5. Steuervorrichtung für einen Synchronmotor mit dauermagnetischer Erregung und einem Rotor ohne Dämpferkäfig sowie einem Stator (10), der mit einer Anordnung von Spulen (101, 102, 103) ausgestattet ist, wobei die Steuervorrichtung einen Frequenzwandler (20) und Schaltungen (30) zum Steuern des Frequenzwanders aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Winkelstellungsdetektor zum Erfassen der Rotorstellung bezüglich des Stators (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4 aufweist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Berechnungsschaltung der Erfassungsvorrichtung für die Winkelstellung in die Schaltungen (30) zum Steuern des Frequenzwandlers (20) integriert ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Einrichtung zur Offenschleifen-Steuerung des Frequenzwandlers für den Anlaufvorgang aufweist, um eine Umschaltung von der Offenschleifen-Steuerung zur Schleifenregelung vorzunehmen, wenn das Informationssignal über die Winkelstellung des Rotors von der Berechnungsschaltung (40) in stabiler Weise bereitgestellt wird.

8. Antriebsvorrichtung für eine drehende Anordnung, die auf aktiven Magnetlagern gelagert ist, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Elektromotor aufweist, der mit einer Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7 ausgestattet ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die aktiven Magnetlager mit einem automatischen Unwucht-Ausgleichssystem ausgestattet sind, und die Signalinformation bezüglich der Winkelstellung des Rotors des elektrischen Antriebsmotors auch angewendet wird bei dem automatischen Umwucht-Ausgleichssystem für die aktiven Magnetlager.

10. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen elektrischen Antriebsmotor einer Turbomolekularpumpe, eines Kompressors oder einer Werkzeughaltespindel aufweist, die mit Drehzahlen von mehreren zehntausend Umdrehungen pro Minute umlaufen.