SE454928B - Drivanordning for en reluktansmotor - Google Patents

Description

15 20 25 30 35 454 928 flyttningen. Hatningen till varje faslindning torde vara från- kopplad eller minskad under varje rotorlägesintervall. där amperevarv hos lindningen ger minskande permeans med rotorför- flyttningen. Som nämnts ovan är det vanligaste sättet därvid att använda extra rotorsensorer för att löpande avkänna rotor- läget och styra drivmatningen med en sensorstyrd krets.

Ett önskemål är emellertid att slippa dessa rotorlägessensorer.

Flera försök har gjorts att utnyttja variationen hos ström- el- ler spänningskarakteristiska hos statorlindningarna och omgi- vande kretsar för att ge indikation på lämpliga tidpunkter för tillslag och frånslag av drivspânningen.

I en känd reluktansmotorstyrning beskriven 1 US 3 980 933 av- kännes den 1 statorlindningen inducerade elektromotoriska kraften (EMK) när rotorn roterar och när utgången från en omkopplingsanordning är oledande. Omkopplingsanordningens utgång görs ledande när EMK når en i förväg bestämd nivå. Denna motor kräver en avsevärd förspänningsström för att ge tillräck- liga störmarginaler. Detta ger förlusteffekt. Eftersom det inte går någon drivande ström i lindningen under den tidsperiod, när rotorläget detekteras, kan man inte belasta motorn maximalt. Då måste det gå drivande ström i någon av faslindningarna hela tiden.

I en annan reluktansmotorstyrning visad i US 4 520 302 matas högfrekventa spänningspulser över faslindningen i den fas. som står i tur att bli drivande. Strömstigtiden eller strömfall- tiden i lindningen mäts för att ge indikation på rotorposi- tionsläget för att få rätt kommuteringsläge. Den i denna skrift beskrivna reluktansmotorstyrningen fungerar för stegmotorer, där det enbart gäller att rotera motorn till önskade rotations- lägen. Den fungerar däremot icke för drivmotorer, som ju skall kunna arbeta med vitt skilda belastningar.

Syftet med uppfinningen är att åstadkomma en reluktansmotor- styrning för drivmotorer. Detta syfte uppnås därigenom att drivkretsen enligt uppfinningen erhållit de i patentkravet 1 10 15 20 25 30 35 454 928 angivna kännetecknen. Ytterligare egenskaper hos drivkretsen enligt uppfinningen anges i övriga patentkrav.

Uppfinningen beskrivs närmare nedan under hänvisning till de bifogade ritningarna, där fig. l visar ett schema på en utföringsform av styranordningen enligt uppfinningen, och fig. 2 visar diagram för att illustrera uppfinningens arbets- Sätt.

Fig. l visar tre faslindningar Ll, L2, L3 hos statorn på en trefas reluktansmotor. Uppfinningen är på intet sätt begränsad till antalet faser hos motorn. Tre faser är enbart givet som exempel. Motorn drivs av en likspänning +V, som exempelvis kan vara 310 V, vilket är vanligt för reluktansmotorer av drivtyp och av switchad typ. Mellan jord och spänningskällans plus-pol ligger faslindningen Ll i en krets innefattande ett strömmät- motstånd Rl, emitter-kollektor-sträckan på en effekttransistor Tal. faslindningen 1 och en effekttransistor Tbl. I kretsen styrs den undre transistorn Tal till bottning under hela den tid faslindningen Ll skall ha drivning under det att den övre transistorn Tbl pulsas under fasens drivintervall på det sätt som är vanligt vid switchade reluktansmotorer, där varje driv- puls för en fas uppdelas i delpulser. Delpulsuppdelningen utgör ingen del av själva uppfinningen och beskrivs därför icke närmare. En diod Dal är kopplad med anoden till jord och med katoden till den från transistorn Tal vända delen av faslind~ ningen Ll för att upprätthålla strömmen genom faslindningen Ll genom hela drivpulsintervallet. En diod Dbl är kopplad med anoden till den från transistorn Tbl vända delen av faslind- ningen Ll och plus-polen för att ge en strömkrets med snabb bortledning av strömmen i faslindningen Ll så snart transistorn Tal frânkopplas, dvs. spärras.

De övriga faslindningarna L2 och L3 är inkopplade i var sin krets av samma typ. Sålunda är faslindningen L2 inkopplad i en krets med ett strömmätmotstånd R2. två effekttransistorer Ta2, Tb2 och två dioder Da2, Db2, och faslindningen L3 i en krets 10 15 20 25 30 35 454 928 med ett strömmätmotstånd R3, tvâ effektdioder Ta3, Tb3 och två dioder Da3, Db3.

Från- och tillslag av transistorerna styrs av en styrenhet l.

Denna är lämpligen en mikrodator även om en krets uppbyggd av konventionella kretselement är tänkbar i stället. Styrenheten l har sex utgångar, vilka via var sin förstärkare 2 är anslutna till styret på var sin av transistorerna Tal. Ta2. Ta3, Tbl, mhz, Tha 1 och för individuell styrning av dessa.

Induktansen detekteras hos den fas, som står i tur att kopplas till, för att detektera ett induktansvärde, vid vilket kommu- tering skall ske för inkoppling av fasen.

Eftersom normalt ingen ström går i en lindning. som ej är in- kopplad, matas frân styrenheten kortvariga pulser med hög frekvens till styrena på effekttransistorerna i drivkretsen för den lindning, som står i tur att kopplas in. Styrenheten l styr naturligtvis samtidigt effekttransistorerna i drivande fas på det gängse sättet. Varje puls är av en bestämd varaktighet t, som är liten i förhållande till periodtiden, så att strömmen i den undersökta lindningen hinner gå ned till noll mellan varje puls. I slutet på varje puls mäts strömmen av en till styren- heten 1 kopplad analog/digital-omvandlare 3. Strömstigningen under varaktigheten hos varje puls ger en indikering på den momentana induktansen. En multiplexenhet 5 har därför tre ingångar kopplade över var sitt av motstånden Rl. R2. R3, vilka alla har samma resistans. Den fjärde ingången på multiplexen- heten kommer att beskrivas längre fram i beskrivningen. Hulti- plexenheten 5 styrs av styrenheten 1 med en digital signal för att ange vilken av multiplexenhetens ingång som skall kopplas till dess utgång.

För att mäta strömmen i den fas, som står i tur att bli drivan- de. styr styrenheten l multiplexenheten till att mata spänning- en över det motstånd Rl, R2, R3, som ligger vid den faskrets, som står i tur att bli tillkopplad till ingången på analogldi- gital-omvandlaren 3. Dessutom sker i enlighet med uppfinningen 10 15 20 25 30 35 454 928 ytterligare styrning av multiplexenheten 5 på sätt som kommer att beskrivas närmare nedan.

Styrenheten 1 bestämmer induktansen genom att approximera ekva- tionen (U-Ri)=d/dr(L-i) med U=L-di/dr, vilket är en god approximation för små strömmar i och låga varvtal, dvs. lågt dL/dr.

Den inledningsvis angivna skriften US 4 520 302 beskriver just ett system m som mäter tid för strömförändring i en icke dri- vande fas. vilket i praktiken innebär att man mäter induktansen i denna fas. Enligt denna kända skrift utför man således kommu- teringen när induktansen i den fas, på vilken man gör mätning- en, har uppnått ett i förväg bestämt värde.

I detta kända styrsystem förutsättes att drivspänningen är konstant. I praktiken kan ofta drivspänningen V variera kraf- tigt. dels på grund av vanliga spänningsvariationer. dels på grund av det spänningsrippel, som erhålls, då +V är en likrik- tad växelspänning.

Induktansen i en icke drivande fas är också beroende på ström- styrkan i drivande fas. Den i US 4 520 302 beskrivna styrkret- sen tar heller ingen hänsyn till induktansvariationer på grund av strömnivân, vilket gör att det är svårt att driva den där beskrivna motorn med olika belastningar. Induktansen i en fas är starkt beroende av strömmen i denna fas. De reluktansmotorer som används idag har oftast delar av järnkretsen gemensam för de olika faserna. Mättning. och därmed minskad induktans i en fas (se fig. 2), leder därför till partiell mättning och därmed minskad induktans även i övriga faser.

Strömmen i lindningen i drivande fas ökar med ökande belast- ning, vilket leder till att induktansvariationen i lindningen minskar vid ökande belastning. Fig. 2 visar induktansen L som funktion av rotationsläget 6 för tvâ olika belastningar. varvid kurvan A erhålles vid låg belastning, dvs. relativt lågt värde på strömmen i i den drivande fasen, och kurvan B erhål- 10 15 20 25 30 35 454 923 les vid relativt hög belastning, dvs. hög drivström. Eftersom järnkretsen är gemensam för faserna erhålles likartade induk- tansvariationer i lindningarna i alla faser. vare sig de är drivande eller ej.

I enlighet med uppfinningen utföres därför en kompensering både för varierande drivspänning +V och för varierande ström i den drivande lindningen. En spânningsdelare med två seriekopplade motstånd Rx och R är kopplad mellan pluspolen vid +V på spänningskällan och jord. Spänningsdelarens Rx,_R uttag är_ kopplat till en fjärde ingång på multiplexenheten 5. Den över Ry uppmätta spänningen U' är därvid proportionell mot +V.

För varje kortvarig puls till den övervakade lindningen styr nu styrenheten 1 multiplexenheten 5 att i vald följd överföra spänningen över mätmotståndet Rl, R2 eller R3 i övervakad fas, spänningen över mätmotståndet R1, R2 eller R3 i drivande fas och spänningen U' över motståndet RY till multiplexenhetens 5 utgång.

Styrenheten l indikerar sålunda den momentana strömmen vid slutet på varje kortvarig puls till den övervakade lindningen 1 icke drivande fas genom att vid slutet av pulsen mata en styr- puls till analog/digital-omvandlarens 3 styringång. I samband med detta moment, dvs. omedelbart före eller efter, indikeras även strömmen i drivande fas och spänningen U' genom styrning av multiplexenheten 5 och analog/digital-omvandlaren ll vid ägnade tidpunkter. Styrenheten l mottar då på sin till analog/ /digital-omvandlaren 3 anslutna ingång signaler med känd pro- portion till de signaler man önskar mäta.

En kompensering skall göras för strömmen i den drivande fasen och för den momentana drivspânningen. Denna kompensering kan ske på väsentligen två sätt. Det första är att lägga till en kompenserande rotorvinkel som är lägre ju högre strömmen i drivande fas är. Denna typ av kompensering är svår att utföra ända ner till stillestånd för motorn. Det andra. och föredrag- na, sättet är att kompensera den indikerade induktansen.

För att med det andra, föredragna kompenseringssättet få en 10 15 20 25 30 35 454 928 rotorlägespunkt QOFF, för avstängning av matningen till drivande fas och kommutering av drivningen till nästa fas, vilken rotorlägespunkt för ett valt rotorvarvtal blir så konstant som möjligt, bestämmes den momentana induktansen, eller ett värde proportionellt mot denna, och en kompensering utföres av det bestämda induktansvärdet.

Funktionen La (6,ib). dvs. induktansen 1 en fas a som funktion av strömmen 1 en fas Q, är icke linjär med lb. En god approximation för de flesta typer av reluktansmotorer är oftast u La (9c.0)/Lb(6c.1b) = (1+c«ib) där konstanten c bestäms individuellt för varje motor så att GOFF hålls konstant. Företrädesvis kan GOFF vara lika med SC. Detta naturligtvis under förutsättning att man utför den ovan angivna kompenseringen av induktansen. Det kommuteringsvillkor som skall uppfyllas då kompensering av induktansen har skett för både momentan drivspänningse och drivströmsnivâ är då: L=LC _.) (iw-iby U-T/1=Lc Härigenom blir det möjligt att få en rent statisk kommutering oberoende av strömstyrka i drivande fas och drivspänningen.

Statisk kommutering oberoende av rotorns rotation på detta sätt kan också åstadkommas så länge som varvtalet är lågt. Dels mäste approximationen d/dr (L-i)=L-di/dr gälla (dvs. i dL/d1< avkännande pulserna vara mycket högre än motorns kommuterings- frekvens, eftersom denna frekvens bestämmer tidsupplösningen i kommuteringen.

I praktiken innebär dessa begränsningar att man endast kan köra motorn upp till mellan 20 % och 50 % av dess maximala varvtal beroende på motoruppbyggnaden med denna kommuteringsmetod. vid varvtal under denna gräns får man emellertid en funktion som helt motsvarar den som erhålles med en rotorpositionsgivare.

Det enklaste ur styrsynpunkt är att driva varje fas för sig med 10 15 20 25 30 35 454 928 kommutering mellan faserna utan överlapp. Det går naturligtvis att driva varje faslindning helt för sig och så att man even- tuellt kör med överlapp mellan faserna, så att två faser drivs samtidigt under vissa intervall. Om man emellertid icke har överlapp mellan faserna utan kommuterar vid rotationsvinkeln 6 från en fas till en annan, kommer BON att för- OFF skjuta sig inom rotorvinkelområdet på samma sätt som GOFF.

Vid drivningen enligt uppfinningen kan det för riktigt låga varvtal vara lämpligt att slå till fasen alldeles i början av den stigande delen av L-kurvan vid QON ~ högre varvtal och speciellt när varvtalet närmar sig 20 % till 50 t av det maximala varvtalet kan det vara lämpligt för att få god driveffekt att i stället flytta rotationsläget BON för tillslag mer till vänster till QONH, så att tillslag sker redan på den negativa flanken av induktanskurvan alldeles före området med mycket låg induktans. Detta gör att motorn kommer att fungera bättre och jämnare. Förskjutningen av tillslags- punkten BON från att ske vid stigande flank på induktans- kurvan till att ske vid fallande flank kan utföras kontinuer- ligt. Det är emellertid svårt att detektera induktanssklllnad under den nästan raka delen, dvs. mellan 8 L. men för något A och SB, av induktanskurvan med mycket låg induktans, varför det 1 stället kan vara lämpligt att flytta SON kontinuerligt under de stigande och fallande partierna av induktanskurvan och utföra en stegvis förflyttning mellan dessa lägen. Tillslagspunkten kan också flyttas stegvis i ett antal steg. Att ha förskjut- ningsmöjligheten av punkten är av större betydelse ju färre faser man har. Förskjutningsmöjigheten har därför sin största betydelse för motorer med två eller tre faser. För att få denna möjlighet måste styrenheten l utföra beräkning av lutningen för L-kurvan, dvs. den jämför successiva indikerade induktansvärden med varandra för att erhålla tecknet för induktansändringen.

Styrenheten l är därför lämpligen försedd med ett program där induktansvârdet och tecknet för induktansändring för att ge 6 är olika för olika varvtal eller varvtalsområden inom ON lågvarvsområdet.

Många modifieringar är möjliga inom ramen för uppfinningen.

Claims (7)

10 15 20 25 30 35 454 928 Patentkrav

1. l. Drivanordning för en reluktansmotor med en stator försedd med en eller flera lindningar för minst två faser och med en rotor, som vid sin rotation samverkar med magnetkretsen i varje statorfas och ger en permeans i magnetkretsen för varje stator- k ä n n e t e c k - av att en detekterings- och styrkrets (l-S), vilken in- dikerar induktansen eller en till denna entydigt relaterad storhet 1 lindningen i den fas som står i tur att bli aktive- rad, vilken detekterar strömmen i lindningen i den drivande fasen och vilken beräknar en korrigeringsfaktor. som står i be- roende av strömvärdet i lindningen i den drivande fasen. och utför en korrigering av det indikerade värdet eller den till detta relaterade storheten med hjälp av korrigeringsfaktorn så lindning. som ändrar sig med rotorvinkeln, n a d att detta värde blir väsentligen lika med rotationslägesvinkeln efter kompensering oberoende av strömstyrkan i den drivande fa- Sell.

2. Drivanordning enligt krav l, k ä n n e t e c k n a d av att detekterings- och styrkretsen (l-S) utför en korrigering av det indikerade värdet på induktansen eller den till denna rela- terade storheten med korrigeringsfaktorn.

3. Drivanordning enligt krav l eller 2, k ä n n e t e c k - n a d av att detekterings- och styrkretsen detekterar den mo- mentana drivspänningsnivân och korrigerar det indikerade värdet på induktansen eller den till denna relaterade storheten med en faktor. som är beroende av den aktuella drivspänningsnivan.

4. Drivanordning enligt nagot av föregående krav, k ä n n e - t e c k n a d av att detekterings- och styrkretsen (l-5) är anordnad att mata kortvariga spänningspulser över faslindningen i den fas, som står i tur att bli aktiverad. och för varje puls mäta strömnivån (ia) 1 denna faslindning vid slutet av pul- sens varaktighet. som är tiden (t), och att mäta strömmen 10 15 20 25 30 10 (lb) i faslindníngen 1 drivande fas och mäta drivspänningen (U') i samband med mätningen av strömnivân (ia), och att vid varje mättillfälle göra följande induktansberäkning: L = (l+c-ív)U'»t/ia där c är en konstant beroende på den aktuella motorn, och att inom intervall med i förväg bestämd lutning hos en kurva över induktansen som funktion av rotationsvinkeln (8) jämföra den beräknade induktansen med ett induktansvärde LC, för vilket kommutering skall ske. k ä n n e - av att detekterings- och styranordningen är anordnad att beräkna motorns varvtal och att utifrân detta be- stämma ett värde på rotationslägesvinkeln, vid vilket tillslag av den övervakade fasen skall ske, varvid bestälningen av rota- tionslägesvinkeln sker genom att den i beroende av det beräk- nade värdet'pâ varvtalet representeras med positiv eller nega- tiv fiank på induktanskurvan samt angivande av villkor för läge för en tillslagspunkt på den för det aktuella varvtalet aktuel- la flanken på induktanskurvan.

5. Drivanordning_enligt något av föregående krav, t e c k n a d

6. Drivanordning enligt krav 5, k ä n n e t e c k n a d av att rotationslägesvinkeln är anordnad att representeras med positiv flank på induktanskurvan vid riktigt låga varvtal och med negativ flank på induktanskurvan vid varvtal. som ligger relativt nära 20%-50% av motorns maxinala varvtal.

7. Drivanordning enligt krav 4, k ä n n e t e c k n a d av att induktansvärdet LC för kommutering är anordnat att ändras stegvis.