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Diese Erfindung betrifft Verbesserungen an elektrischen Motoren in Servolenksystemen für Fahrzeuge, bei denen der Motor dafür geeignet ist, in Reaktion auf ein Motorantriebssignal einen Abschnitt der Lenkwelle mit einem Unterstützungsmoment zu beaufschlagen. Diese Erfindung betrifft auch elektrische Servolenksysteme der dargelegten Art.
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Bei einem bekannten Servolenksystem ist ein erster Abschnitt der Welle funktional mit einem Lenkrad verbunden, ein zweiter Abschnitt der Welle ist funktional mit mindestens einem lenkbaren Rad verbunden, ein Drehmomentsensor vermag ein Ausgangssignal zu erzeugen, das ein Drehmoment angibt, das von einem Fahrer des Fahrzeugs auf den ersten Abschnitt der Welle aufgebracht wird, und eine Steuerungseinrichtung ist dazu ausgestaltet, das Ausgangssignal zu verarbeiten, um das Motorantriebssignal zu erzeugen.
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Der erste und der zweite Abschnitt der Welle können entsprechende Abschnitte einer einzigen Welle oder jeweils eine separate Welle umfassen.
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Der Zweck eines elektrischen Servolenksystems der dargelegten Art besteht darin, dass der Motor auf den zweiten Abschnitt der Welle ein Unterstützungsmoment aufbringt, das dem Fahrer das Drehen des Lenkrads erleichtert. Typischerweise wird der Motor mit einer Pulsbreitenmodulationsstrategie gesteuert, wobei das Motorantriebssignal proportional zu dem vom Motor geforderten Drehmoment ist.
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Im Stand der Technik, wie etwa unserer früheren Anmeldung
GB 9619175 , umfasst der Motor einen von einem elektrischen Schaltkreis angesteuerten bürstenlosen Motor, bei dem die Motorphasenwicklungen zu einer Brücke verbunden sind. Jede Phase ist an einen separaten Arm der Brücke zwischen einer positiven Versorgungsleitung und einer negativen Versorgungsleitung (oder Masseleitung) angeschlossen. Eine zugehörige obere Schaltvorrichtung ist in jedem Arm zwischen einer Phasenwicklung und der positiven Versorgungsleitung in Reihe geschaltet, und eine zugehörige untere Schaltvorrichtung ist in jedem Arm zwischen einer Phasenwicklung und der negativen Versorgungsleitung (oder Masseleitung) geschaltet. Somit weist die Brücke bei einem 3-phasigen Motor 3 Arme auf, wobei jeder eine obere und eine untere Schaltvorrichtung umfasst. Der Motor kann durch Pulsbreitenmodulation der oberen und der unteren Schaltvorrichtung in den Armen auf eine beliebige bekannte Art gesteuert werden, um zu bewirken, dass sich der Motor dreht.
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Ein Problem bei bürstenlosen Permanentmagnetmotoren besteht darin, dass ein Versagensmodus existiert, bei dem die Motorphasenwicklungen oder Teile davon miteinander kurzgeschlossen sein können, um eine Schleife zu bilden, durch die ein induzierter Strom fließen kann. Dies tritt typischerweise dann auf, wenn zwei obere und/oder zwei untere Schaltvorrichtungen in einem geschlossenen Zustand hängen bleiben oder auf sonstige Weise versagen und dann einen geschlossenen Pfad um den elektrischen Schaltkreis bilden. In diesem Versagensmodus kann ein hohes Bremsmoment erzeugt werden, das das Drehen des Lenkrades erschwert.
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Gemäß einem ersten Aspekt stellt die Erfindung ein elektrisches Servolenksystem bereit, mit einem Motor, der in Reaktion auf ein Motorantriebssignal von einem Antriebsschaltkreis auf einen Abschnitt einer Lenkwelle ein Unterstützungsmoment aufzubringen vermag, wobei der Motor einen Wicklungsfeld-Synchronmotor der einen Stator und einen Rotor umfassenden Art umfasst, wobei der Rotor mindestens einen Pol und mindestens eine zum Pol gehörige Spulenwicklung aufweist und der Stator eine Anzahl von Phasenwicklungen umfasst, und wobei der Antriebsschaltkreis dazu konfiguriert ist, während des Motorbetriebs Strom in den Spulen des Stators und des Rotors bereitzustellen.
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Der Antriebsschaltkreis kann die Spulen nach Bedarf mit Strömen beaufschlagen, um zu bewirken, dass der Motor in einem Synchronbetrieb arbeitet, wobei der Rotor mit einem Gleichstrom gespeist wird und der Stator mit Wechselstrom versorgt wird.
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Es kann sein, dass der Motor keine Permanentmagnete aufweist und allein auf das Zusammenwirken von Magnetfeldern angewiesen ist, die durch Anlegen von Strom an die Rotor- und Statorwicklungen erzeugt werden, um ein Antriebsmoment zu erzeugen.
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Der Motor kann mindestens zwei elektrische Drehkoppler bzw. Schleifringe aufweisen, wobei ein Koppler ermöglicht, dass Strom aus dem Antriebsschaltkreis in die mindestens eine Rotorspule eingespeist wird, und der andere ermöglicht, dass Strom von der Rotorspule in den Antriebsschaltkreis zurückgespeist wird. Die Koppler können bidirektional funktionieren und es dem Strom ermöglichen, in jede Richtung durch den Koppler zu fließen.
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Jeder Koppler kann einen ersten Teil und einen zweiten Teil umfassen, wobei der erste Teil jedes Kopplers frei mit dem Rotor drehbar ist und der zweite Teil jedes Kopplers feststehend ist, so dass er sich nicht mit dem Rotor dreht und mit dem Antriebsschaltkreis verbunden ist, wobei ein elektrischer Pfad zwischen dem ersten und dem zweiten Teil jedes Kopplers vorhanden ist. Ein Teil des Schleifrings kann eine Bürste und der andere einen Kontaktring umfassen.
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Die Rotorwicklung kann ein einziges Drahtstück umfassen, das um alle Pole des Rotors gewickelt ist, wobei jedes Ende des Drahts mit dem ersten Teil eines jeweiligen Schleifrings verbunden ist.
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Der Rotor kann eine Vielzahl von Polen umfassen, die winklig um die Achse des Rotors beabstandet sind, wobei jeder mit mindestens einer Windung einer Wicklung versehen ist, so dass beim Fließen von Strom durch die Spule der Pol einen Elektromagneten bildet. Jeder Pol kann einen Kern aus ferromagnetischem Material umfassen, wobei die Spule so um den Kern gewickelt ist, dass der Pol als Elektromagnet funktioniert, wenn die Spule unter Strom gesetzt wird. Der Motor kann mindestens 2 Pole und vorzugsweise 6 oder 8 Pole aufweisen.
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Die Rotorspule kann so um die Pole gewickelt sein, dass benachbarte Pole Magnete mit entgegengesetzter Polarität bilden.
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Der Antriebsschaltkreis kann eine Gleichspannung an mindestens eine Spule des Rotors anlegen, wenn vom Motor ein Drehmoment angefordert wird. Diese Gleichspannung kann über eine Reihe von Betriebsbedingungen des Motors konstant sein.
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Vorteilhafterweise kann der Antriebsschaltkreis einen Schalter enthalten, der betätigt werden kann, um den Antriebsschaltkreis zu veranlassen, eine verringerte Spannung an die Rotorspule anzulegen, wenn vom Motor kein Drehmoment oder ein geringes Drehmoment angefordert wird. Er kann null Spannung anlegen, wenn kein Drehmoment angefordert wird.
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Auch kann der Antriebsschaltkreis vorteilhafterweise im Betrieb dazu funktionsfähig sein, die an die Rotorspule angelegte Spannung zu verringern, um eine Feldabschwächung auf eine ähnliche Weise zu erreichen wie beim Permanentmagnet-Wechselspannungsmotor.
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Durch Wegnehmen der Spannung, wenn kein Drehmoment angefordert wird, funktionieren die Pole nicht mehr als Elektromagnete. Somit wird bei niedriger Drehzahl des Motors kein Rastmoment erzeugt.
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Ein Verringern oder vollständiges Eliminieren eines Rastmoments durch Wegnehmen des Stroms stellt einen deutlichen Vorteil gegenüber Permanentmagnetmotoren in elektrischen Servolenksystemen aus dem Stand der Technik dar und verbessert, wie sich das System über das Lenkrad anfühlt.
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Der Antriebsschaltkreis kann auch dazu eingerichtet sein, den Strom, der in Abhängigkeit von der Winkelposition des Rotors an den Rotor angelegt wird, zu variieren, um so die Rastmomentwirkung zu verringern und Drehmomentänderungen zu glätten, die andernfalls auftreten würden, während sich der Rotor aufgrund des Zusammenwirkens des Magnetfelds mit den Statorzähnen dreht.
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Ein weiterer Vorteil des Wicklungsfeldmotors besteht darin, dass es bei einem Kurzschluss in den Spulen möglich ist, den Gleichstrom in den Rotorwicklungen zu verringern, wodurch der Motor aufhört, ein Bremsmoment zu erzeugen. Dies ist in einem Lenksystem wichtig, weil ein Bremsmoment das Drehen des Lenkrads behindern kann.
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Deshalb kann bei einer Anordnung der Antriebsschaltkreis dazu eingerichtet sein, zu bewirken, dass ein verringerter oder null Gleichstrom durch die Rotorspule fließt, wenn ein Fehler erkannt wird. Insbesondere kann er dazu in der Lage sein, den Strom wegzunehmen, wenn ein Kurzschlusszustand bei zwei oder mehreren Phasen des Stators erkannt wird. Er kann bewirken, dass bei diesem Zustand kein Strom in der Rotorwicklung fließt.
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Bei einer Weiterbildung kann der Antriebsschaltkreis dazu eingerichtet sein, den Strom so zu modulieren, dass er der Anforderung entspricht, eine Erwärmung im Motor zu verringern.
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Der Antriebsschaltkreis kann dazu eingerichtet sein, eine pulsbreitenmodulierte Spannung an die mindestens eine Spule des Stators anzulegen, während im Wesentlichen eine Gleichspannung an die Spule des Rotors angelegt wird.
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In der Praxis kann der Stator mit mehreren Spulen versehen sein, wobei jede eine Phasenwicklung des Stators definiert, und der Antriebsschaltkreis kann an jede Phase eine entsprechende pulsbreitenmodulierte Spannung anlegen. Die Spannungen können nach einem Raumzeigermodulationsplan angelegt werden.
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Ein Strommessschaltkreis kann vorhanden sein, der den Strom misst, der in mindestens einer und vorzugsweise allen Phasen fließt, wobei der Antriebsschaltkreis die Strommessung dazu nutzt, die an jede Phase des Motorstators anzulegende Spannung daraus abzuleiten.
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In einer Weiterbildung kann die elektrische Servolenkvorrichtung eine Induktivitätsbestimmungseinrichtung, die die Induktivität der Rotorwicklung zu bestimmen vermag, und eine Positionsbestimmungseinrichtung, die die Winkelposition des Motors aus der Induktivität zu bestimmen vermag, enthalten.
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Der Anmelder hat erkannt, dass beim Drehen des Rotors am Stator vorbei, wenn ein Konstantstrom in der Rotorwicklung fließt, eine Schwankung im Magnetfluss auftritt und sich daher eine Schwankung in der Magnetflussverkettung pro Ampere (Induktivität) ergibt. Diese Wirkung kann genutzt werden, um die Position des Rotors festzustellen, indem die Induktivität der Rotorwicklung überwacht wird.
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Das Induktivitätsbestimmungsmittel kann dazu eingerichtet sein, die Induktivität festzustellen, indem eine schwankende Spannung an die Rotorwicklungen angelegt wird und die der Spannungsschwankung entsprechende Stromanstiegsgeschwindigkeit überwacht wird. Diese Schwankung kann eine stufenweise Änderung umfassen und kann erzeugt werden, indem die Rotorspannung mit einer stufenweisen Änderung beaufschlagt wird. Dies kann einen Impuls umfassen, wobei das stufenweise Ändern durch die Vorder- oder die Rückflanke des Impulses definiert ist. Auch könnten sonstige Wellenformen verwendet werden, wie etwa eine Rampenwellenform, die einen linearen oder sogar nichtlinearen Spannungsanstieg oder -abfall aufweist.
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Die Spannungsänderung kann während bekannter Testzeiträume aufgebracht werden, wenn die Zustände des Motors ansonsten stabil sind, inbesondere die Statorphasenwicklungsströme stabil oder auf null gesetzt sind.
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Die mit der Spannungsänderung verbundene, gemessene Änderungsgeschwindigkeit des Rotorstroms kann mit Informationen über die Statorwicklungsspannungen und -ströme korreliert werden, um die Induktivität zu bestimmen.
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Die Spannungsänderung kann zu Zeiten aufgebracht werden, wenn der in der Rotorwicklung fließende Strom konstant ist. Die Spannungsänderung kann periodisch aufgebracht werden, wobei die Periode die Geschwindigkeit bestimmt, mit der die Position aktualisiert werden kann.
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Eine Strommesseinrichtung kann vorhanden sein, die den in der Rotorwicklung fließenden Strom misst. Der Ausgang dieses Sensors kann dazu genutzt werden, die Induktivität festzustellen. Er kann den Strom ständig messen oder zur der Zeit abtasten, wenn sich die Spannung bekanntermaßen ändert.
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Das Positionsbestimmungsmittel kann die Winkelstellung des Rotors feststellen, indem die Induktivitätsänderungen beim Drehen des Motors mit bekannten Informationen korreliert werden, die auf die Induktivitätsänderungen mit der Rotorposition hinweisen. Diese bekannten Informationen können in einer Nachschlagtabelle in einem Bereich des elektronischen Speichers bereitgehalten werden.
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Es kann sein, dass die Induktivität für eine beliebige gegebene Position nicht eindeutig ist, in welchem Fall das Positionsbestimmungsmittel die Position feststellen kann, indem es eine Reihe von Induktivitätswerten nachschlägt, die über die Zeit beim Drehen des Rotors gewonnen wurden, und diese Werte mit den gespeicherten Induktivitätsinformationen korreliert, bis eine beste Übereinstimmung gefunden wird. Die Induktivitätsänderung variiert typischerweise mit der Geometrie des Rotors und des Stators.
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Gemäß einem ersten Aspekt stellt die Erfindung ein Verfahren zum Feststellen der Winkelposition eines Rotors eines Motors bereit, der in Reaktion auf ein Motorantriebssignal von einem Antriebsschaltkreis auf einen Abschnitt einer Lenkwelle ein Unterstützungsmoment aufzubringen vermag, wobei der Motor einen Wicklungsfeld-Synchronmotor der einen Stator und einen Rotor umfassenden Art umfasst, wobei der Rotor mindestens einen Pol und mindestens eine zum Pol gehörige Spulenwicklung aufweist und der Stator eine Anzahl von Phasenwicklungen umfasst, und wobei der Antriebsschaltkreis dazu konfiguriert ist, während des Motorbetriebs Strom in den Spulen des Stators und des Rotors bereitzustellen, wobei das Verfahren umfasst:
Beaufschlagen der Rotorwicklung mit einer Spannungsänderung und Messen des durch die Rotorwicklung fließenden Stroms;
Feststellen der Stromänderungsgeschwindigkeit in Reaktion auf die Beaufschlagung mit einer Spannungsänderung und Bewerten der Induktivität des Rotors aus der Spannungsänderung; und
Bewerten der Rotorposition durch Korrelieren der bewerteten Induktivität mit gespeicherten Informationen, die die positionsbedingte Induktivitätsschwankung angeben.
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Die gespeicherten Informationen können eine Nachschlagtabelle der Paare Induktivität und Position umfassen.
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Das Verfahren kann ein Messen des Stroms in der Rotorwicklung umfassen, um die Stromänderungsgeschwindigkeit festzustellen.
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Das Verfahren kann ein Beaufschlagen mit einer Spannungsänderung umfassen, indem mit einer stufenweisen Änderung beaufschlagt wird, etwa durch Anlegen eines kurzzeitigen Impulses.
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Es wird nun lediglich beispielhaft eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen:
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1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen elektrischen Servolenksystems ist;
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2 eine Darstellung eines Wicklungsfeldmotors ist, der in dem System aus 1 verwendet wird;
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3 eine schematische Übersicht des elektrischen Schaltkreises des Systems aus 1 ist;
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4 eine detailliertere Darstellung des Antriebsschaltkreises für die Statorwicklungen ist;
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5 eine entsprechende Darstellung des Antriebsschaltkreises für die Rotorfeldwicklungen ist;
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6 ein Schaubild ist, das die verschiedenen Zustände des Motors aus 1 und 2 darstellt;
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7 ein Zustandsraumzeigerdiagramm ist, das zur Darstellung der Funktion des Antriebsschaltkreises dient;
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8 ein Querschnitt durch den Motor aus 2 ist, der die Polarität der Elektromagneten zeigt, während eine Gleichspannung an der Rotorwicklung anliegt;
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9 ein Schaubild ist, das eine alternative Ausführungsform zeigt, die ein Mittel zum Feststellen der Position des Rotors enthält.
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10 ein Graph der Rotorspannung im Zeitverlauf ist, der das Anlegen eines Testimpulses darstellt;
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11 ein entsprechender Graph des Rotorstroms im Zeitverlauf ist, der die resultierende Rotorstromschwankung darstellt;
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12 ein Graph der Induktivität im Verlauf der Rotorposition ist.
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Das elektrische Servolenksystem 100, das in 1 der beigefügten Zeichnungen dargestellt ist, umfasst eine Eingangswelle in Form eines Lenksäulenwellenstücks 120, das mit einem Lenkrad 130 des Fahrzeugs verbunden ist.
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Ein Drehmomentsensor 140 vermag das Drehmoment zu messen, das von einem Fahrer beim Drehen des Lenkrads auf einen ersten Abschnitt der Lenksäulenwelle aufgebracht wird. Der Sensor erzeugt ein Ausgangssignal, das von elektrischen Drähten 150 in einen elektrischen Schaltkreis 160 eingespeist wird. Ein Ausgangssignal von einem Fahrzeug-Zündschalter 170, der an einer Lenksäulenverkleidung 180 vorhanden ist, wird ebenfalls durch Drähte 190 in die Steuerungseinheit eingespeist, um einen Hinweis bereitzustellen, wann die Servobaugruppe arbeiten soll (obwohl die Zündung keinen Bestandteil der Servolenkbaugruppe bildet).
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Die Steuerungseinheit 6 umfasst einen elektrischen Schaltkreis, der über Drähte mit einer Batterie 11 oder einer anderen Stromquelle verbunden ist.
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Der Schaltkreis verarbeitet das Ausgangssignal vom Drehmomentsensor, um ein Drehzahl- oder Drehmomentbedarfssignal zu erzeugen, das proportional zum Drehmoment ist, das von einem Elektromotor 10 gefordert wird, der über ein Getriebe 130 mit einem zweiten Abschnitt der Lenksäulenwelle 120 verbunden ist.
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Im Einsatz wird der Motor 10 in Reaktion auf das Drehzahl- oder Drehmomentbedarfssignal angetrieben, um auf die Welle 120 ein Unterstützungsmoment aufzubringen.
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Natürlich sind andere Konfigurationen möglich, so lange es einen Motor gibt, der auf ein Teil eines Lenksystems ein Unterstützungsmoment aufbringt, und dieses Beispiel ist nicht als die Erfindung einschränkend zu betrachten. Beispielsweise kann der Motor direkt auf die Lenkzahnstange statt auf die Lenkwelle wirken, und der Drehmomentsensor könnte durch ein anderes Mittel zur Überwachung des Lenkbedarfs ersetzt werden.
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Der Motor 10 ist in 2 in schematischer Form dargestellt, einschließlich eines aufgebrochenen Teils des Motors, der die inneren Teile des Motors offenlegt.
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Wie ersichtlich, umfasst der Motor 10 beispielhaft einen Wicklungsfeldmotor, der keine Permanentmagnete hat. Stattdessen umfasst der Rotor einen Rotorkörper 50 mit mehreren ferromagnetischen Polen 40, die um den Umfang des Rotorkörpers herum beabstandet sind. Ein leitendes Drahtstück, das eine Rotorspule 20 definiert, ist viele Male so um die Pole gewickelt, dass bei Anlegen eines Gleichstroms an die Spule jeder Pol 40 einen Elektromagneten bildet. Die Wicklungen sind so eingerichtet, dass die Polarität der Magneten bei anliegender Spannung um den Rotor zwischen dem N- und dem S-Pol schwankt, wie in 8 dargestellt.
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Die beiden Enden der Spulenwicklung 20 sind mit zugehörigen Schleifringen 60 verbunden, die um eine Trägerwelle 70 des Rotors bereitgestellt sind. Jeder Ring stellt einen elektrischen Pfad zwischen dem Ende der Wicklung 20 und einem zugehörigen Ausgang eines im Folgenden beschriebenen Antriebsschaltkreises 200 bereit.
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Der Rotor ist innerhalb eines zylindrischen Stators axial ausgerichtet. Der Stator weist eine Anzahl von Polen 80 auf, beispielsweise 8. Drei leitende Drahtstücke sind um ausgewählte Pole gewickelt, um drei Phasenwicklungen A, B und C zu bilden. Das Innere des Stators ist komplementär zur Außenfläche der Rotorstruktur, so dass nur ein kleiner Luftspalt vorhanden ist. Die Drähte sind in einem Sternpunkt miteinander verbunden, und die Enden jedes Drahts sind an die zugehörigen Ausgänge eines im Folgenden beschriebenen Antriebsschaltkreises angeschlossen.
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Der Motor 10 ist somit eine dreiphasige Vorrichtung, wobei die Phasen der Einfachheit halber jeweils mit A, B bzw. C bezeichnet sind.
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Der Motorschaltkreis
160 umfasst einen Steuerungsschaltkreis und einen Antriebsschaltkreis und ist schematisch in
3 dargestellt. Der Antriebsschaltkreis umfasst einen Umrichterschaltkreis
200, der an jede Statorphase A, B, C anzulegende, zugehörige pulsbreitenmodulierte Spannungen erzeugt, einen Stromsensor
300, der die resultierenden Phasenströme überwacht, und einen Steuerungsschaltkreis
400, der dem Umrichter ein Spannungsbedarfssignal entsprechend einem angeforderten Drehzahlsignal und den gemessenen Strömen liefert. Der Umrichter
200 wird aus der Batterie
110 mit Energie versorgt, die durch einen Filter
500 gefiltert wurde, um elektrisches Rauschen zu entfernen. Die pulsbreitenmodulierten Spannungen können gemäß einer Vielfalt von Strategien abgeleitet werden, beispielsweise unter Anwendung einer Raumzeigermodulationsstrategie, wie in
WO 2004/023639 beschrieben, deren Lehren hier in ihrer Gesamtheit einbezogen sind.
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Ein einfacher Umrichterschaltkreis 200a, der einen ersten Teil des Antriebsschaltkreises 200 bildet, ist detaillierter in 4 der Zeichnungen veranschaulicht. Er umfasst in einer Brücke angeordnete Paare von Schaltern 201, 202, 203, wobei ein oberer Schalter und ein unterer Schalter jedes Paars ein Ende einer entsprechenden Phase mit der Versorgungsspannung oder mit Masse verbinden. Die Schalter 201, 202, 203 können jeweils so geöffnet oder geschlossen sein, dass es insgesamt acht mögliche Schalterzustände gibt, wobei jeder Zustand eine eindeutige Kombination aus geöffneten oder geschlossenen Schaltern darstellt. Die Steuerungseinheit stellt die Folge von Zuständen innerhalb jeder Pulsbreitenmodulationsperiode fest, die nötig ist, um ein Drehen des Motors mit der geforderten Drehzahl zu bewirken.
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Jede Wicklung in einem dreiphasigen System kann nur entweder mit der Versorgungsschiene oder der Masseleitung verbunden sein und es gibt deshalb acht mögliche Zustände des Steuerungsschaltkreises. Diese sind in 6 dargestellt. Wenn 1 eine der Phasen mit positiver Spannung und 0 eine der mit Masse verbundenen Phasen darstellt, kann Zustand 1 als [100] dargestellt werden, wobei dies darauf hinweist, dass sich Phase U auf 1, Phase V auf 0 und Phase W auf 0 befindet, Zustand 2 wird als [110] dargestellt, Zustand 3 als [010], Zustand 4 als [011], Zustand 5 als [001], Zustand 6 als [101], Zustand 0 als [000] und Zustand 7 als [111]. Jeder der Zustände 1 bis 6 stellt einen leitenden Zustand dar, in dem Strom durch alle Wicklungen 2, 4, 6 fließt, wobei er durch eine davon in eine Richtung und durch die anderen beiden in die andere Richtung fließt. Zustand 0 stellt einen Null-Volt-Zustand dar, in dem alle Wicklungen mit Masse verbunden sind, und Zustand 7 stellt einen Null-Volt-Zustand dar, in dem alle Wicklungen mit der Versorgungsschiene verbunden sind.
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Die Zustände 1, 2, 3, 4, 5 und 6 werden hier auch als Zustand +U, –W, +V, –U, +W bzw. –V definiert, weil sie jeweils die Zustände darstellen, in denen die an die Wicklungen angelegte Spannung für eine entsprechende der Phasen in positiver oder negativer Richtung verläuft. Beispielsweise ist im Zustand +U die Phase U mit der Versorgungsschiene verbunden und die anderen beiden Phasen sind mit der Masseverbindung verbunden, und im Zustand –U sind die Verbindungen umgekehrt.
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Wenn der Schaltkreis gesteuert wird, um eine Pulsbreitenmodulation zu erzeugen, wird in jeder Pulsbreitenmodulationsperiode jede der Phase normalerweise einmal ein- und ausgeschaltet. Durch die relative Dauer, die jeder Zustand einnimmt, ist die Größe und Richtung des in jeder Wicklung erzeugten Magnetfelds festgelegt und damit die Größe und Richtung des gesamten Drehmoments, mit dem der Rotor beaufschlagt wird. Diese jeweilige Zeitdauer kann durch verschiedene Modulationsalgorithmen berechnet werden, aber bei dieser Ausführungsform wird eine Raumzeigermodulationstechnik angewandt.
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Auf 7 Bezug nehmend, sind bei Zustandsraumzeigermodulationssystemen die Zeiten in jeder Pulsbreitenmodulationsperiode, die in jedem der Zustände verbracht werden, als Raumzeiger in einem Zustandsraumzeigermodulationsdiagramm (SVM-Diagramm) dargestellt. In dieser Art von Diagramm sind einzelne Zustandsraumzeiger diejenigen in Richtung der Raumzeiger S1 bis S6, und die Länge der Raumzeiger in jeder dieser Richtungen stellt den Betrag der Zeit in jeder Pulsbreitenmodulationsperiode dar, die im entsprechenden Zustand verbracht wird. Dies bedeutet, dass jede gewünschte Spannung in den Wicklungen als ein Punkt im Diagramm dargestellt werden kann, der einem Spannungsraumzeiger entspricht, der die Größe und Richtung der Spannung darstellt, und durch eine Kombination der Zustandsraumzeiger s1, s2 usw. erzeugt werden kann, deren Länge die Zeit in jeder Pulsbreitenmodulationsperiode, die in diesem Zustand verbracht wird, darstellt. Alternativ kann eine Kombination aus Zuständen mit einer Null-Nettospannung verwendet werden, wenn bestimmte Zustände aus anderen Gründen, wie etwa einer Strommessung, erforderlich sind.
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Ein zweiter Teil 200b des Antriebsschaltkreises 200 dient dazu, eine Gleichspannung an die Rotorspule anzulegen. Dadurch werden die durch jeden Pol gebildeten Elektromagneten eingeschaltet. Der Schaltkreis ist in 5 dargestellt. Er enthält einen Schalter 220, der geöffnet wird, wenn kein Drehmoment vom Motor angefordert wird, um die Elektromagneten des Rotors auszuschalten. Dieser Schalter 220 wird von der Steuerungseinheit gesteuert. Ein Ausschalten der Elektromagneten sorgt dafür, dass kein Rastmoment erzeugt wird. Der Belastbarkeit halber ist auch ein zweiter Schalter 230 in Reihenschaltung mit den Motorwicklungen vorhanden.
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Der Steuerungsschaltkreis 300 ist ferner dazu eingerichtet, den Strom in der Rotorspule auszuschalten, wenn ein Versagensmodus, der einem Kurzschluss zwischen den Statorphasen entspricht, aufgetreten ist. Dadurch werden wieder die Elektromagnete des Rotors ausgeschaltet und das Risiko beseitigt, dass der Motor in einem solchen Versagensmodus ein Bremsmoment erzeugt. Dies wird durch Öffnen des Schalters 220 oder 230 (oder beider) des Teils 200b des Antriebsschaltkreises erreicht. Der Kurzschluss kann erkannt werden, indem ein gemessener mit einem erwarteten im Rotor oder Stator fließenden Strom verglichen wird. Der erwartete Strom kann leicht festgestellt werden, beispielweise durch Überwachen der Stromanforderungen der Achse d-q von Stromanforderungen einzelner Phasen in einem Pulsbreitenmodulationsplan. Der Strom kann mit Hilfe eines oder mehrerer in Reihe mit einer oder mehreren der Motorphasen geschalteter Stromsensoren einfach gemessen werden.
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In einer in 9 dargestellten geänderten Ausführungsform enthält das System zusätzlich eine Induktivitätsbestimmungseinrichtung 300, einen Rotorstromsensor 310 und eine Rotorpositionsbestimmungseinrichtung 320. Die Induktivitätsbestimmungseinrichtung funktioniert zusammen mit dem Steuerungsschaltkreis und bewirkt, dass zusätzlich zur stetigen Spannung, die während des normalen Betriebs an die Wicklung angelegt wird, kurzzeitige Spannungsimpulse an die Rotorwicklung angelegt werden. Die Impulse werden von einem Impulsgenerator 330 erzeugt. Der Impuls bewirkt einen Stromanstieg in der Wicklung, der der Anstiegsflanke nacheilt, und einen Abfall, der der Rückflanke nacheilt. Das Nacheilen ist mindestens teilweise auf die Induktivität der Wicklung zurückzuführen. Dies ist in 10 dargestellt. Die Induktivität schwankt mit der Winkelposition des Rotors im Verhältnis zum Stator, wie in 12 dargestellt.
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Die Impulse werden periodisch und zu Zeiten angelegt, zu denen der Steuerungsschaltkreis eine bekannte Spannung und einen bekannten Strom von den Statorwicklungen anfordert, und wenn bekannt ist, dass der Strom und die Spannung, die von den Statorwicklungen anfordert werden, konstant sind.
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Das Stromerfassungsmittel 310 misst den durch die Rotorwicklung fließenden Strom. Es umfasst in diesem Beispiel ein Widerstandselement in Reihenschaltung mit der Wicklung, wobei die über das Element abgefallene Spannung gemessen und in eine Strommessung umgewandelt wird, indem das Ohm'sche Gesetz auf die Spannung und den bekannten Widerstand des Elements angewandt wird.
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Der gemessene Strom wird verarbeitet, um die Änderungsgeschwindigkeit des Stroms im Zeitverlauf, die der Stromanstiegsgeschwindigkeit beim Anlegen des Impulses (oder der Abfallgeschwindigkeit an der Rückflanke) entspricht, festzustellen, und aus dieser Änderungsgeschwindigkeit wird die Induktivität bestimmt. Im Allgemeinen führt ein Induktivitätsanstieg zu einer geringeren Anstiegsgeschwindigkeit (oder Abfallgeschwindigkeit). Eine einfache Weise, dies zu bewerkstelligen, besteht darin, die Zeit t, die der Strom nach dem Anlegen eines Spannungsimpulses für den Anstieg um einen eingestellten Betrag Delta I benötigt, zu messen und die gemessene Anstiegszeit mit den korrelierten Induktivitäts-/Positionsinformationen, die in einer Nachschlagtabelle im Speicher bereitgehalten werden, zu vergleichen.
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Die bestimmte Induktivität wird dann dazu genutzt, eine Schätzung der Rotorposition bereitzustellen. Dies wird mit Hilfe eines Algorithmus erreicht, der die Induktivität als Eingangsgröße empfängt und Zugriff auf die gespeicherten Induktivitäts-/Positionsinformationen hat, die in einem elektronischen Speicher in einer Nachschlagtabelle gespeichert sind. Die Eingangsinduktivität befindet sich in der Nachschlagtabelle, und die Position wird dann abgelesen.
