DE19503492A1 - Vorrichtung zum Antrieb und Lagebestimmung bei einem Stellsystem - Google Patents
Vorrichtung zum Antrieb und Lagebestimmung bei einem StellsystemInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Antrieb und zur
Lagebestimmung bei einem Stellsystem mit den Merkmalen des
Anspruchs 1.
Aus dem Stand der Technik sind Anwendungen bekannt, bei
denen bei positions- und drehzahlgeregelten Stellsystemen
sowohl die Position als auch die Drehzahl mit einem eigenen
Sensor gemessen wird. Der elektrische Antrieb eines solchen
Systems erfordert dabei eine positionsabhängige Kommutie
rung, die ausgehend von der im Lagegeber ermittelten
Position erfolgt.
Ausgehend aus einem solchen bekannten Stellsystem liegt der
vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vereinfa
chung zu erzielen und einen Sensor einzusparen.
Gelöst wird diese Aufgabe mit Hilfe der in Anspruch 1 ange
gebenen Vorrichtung. Bei dieser Vorrichtung übernimmt der
Antrieb gleichzeitig die Funktion des Sensors.
Das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen des Haupt
anspruchs hat den Vorteil, daß ein Positions- bzw. Drehzahl
sensor eingespart werden kann. Erzielt wird dieser Vorteil,
in dem als Antrieb ein Reluktanzantrieb verwendet wird, der
gleichzeitig zur Lageerkennung verwendet wird. Dabei wird in
vorteilhafter Weise ein Beobachterkonzept realisiert, bei
dem die genaue Position ständig beobachtet wird.
Weitere Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden
mit der in den Unteransprüchen angegebenen Maßnahmen er
zielt.
Vorteilhaft ist weiterhin, daß verschiedene Typen von
Reluktanzmotoren verwendbar sind, wobei abhängig von der
Kopplung der magnetischen Kreise des verwendeten Motors die
Qualität der Induktivitätsmessung einstellbar ist.
Durch die Verwendung eines von der zugehörigen Leistungs
elektronik unabhängigen induktivitätsmeßverfahren haben die
Schwankungen der Versorgungsspannung keinen Einfluß auf die
Genauigkeit der Positionsmessung. Ein solches von der Lei
stungselektronik unabhängiges Induktivitätsmeßverfahren
ermöglicht in vorteilhafter Weise die Einsparung von Lei
stungshalbleitern für die Motoransteuerung.
Die Integration von Motorsteuerung und Beobachter führt zu
einem mit ASIC′s realisierbaren kostengünstigen Antriebskon
zept.
Die Struktur des Beobachters ist für Reluktanzmotoren mit
beliebig vielen Wicklungen geeignet. Der Beobachter liefert
sowohl die Geschwindigkeit als auch die Position, hochfre
quente Schwankungen des Induktivitätsmeßsignales können mit
Hilfe einer separaten, als Beobachterdynamik bezeichneten
Schaltungsanordnung unterdrückt werden. Durch die Verwendung
einer von der Position unabhängigen Verstärkung ist in
besonders vorteilhafter Weise eine sichere Erkennung der
Drehrichtung des Motors gewährleistet.
Weitere Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden
mit der in den Unteransprüchen angegebenen Maßnahmen er
zielt.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung
dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung
näher erläutert. Im einzelnen zeigt Fig. 1 den Querschnitt
eines Reluktanzmotors des Typs 1, Fig. 2 den Querschnitt
eines Reluktanzmotors vom Typ 2. Fig. 3 zeigt wie ein
Reluktanzmotor bestromt wird und Fig. 4 verdeutlicht die
Abhängigkeit der Induktivität von der Rotorstellung.
In Fig. 5 sind Spannungs- und Stromverlauf bei einer
zweipunkt-Stromregelung zur Induktivitätsmessung aufgezeigt
und Fig. 6 zeigt die Leistungselektronik, die für den
Betrieb eines Reluktanzmotors erforderlich ist.
In Fig. 7 ist ein erstes Blockschaltbild eines Beobachters
Nr. 1 dargestellt. Fig. 8 zeigt ein Blockschaltbild für
einen zweiten Beobachter Nr. 2. In Fig. 9 ist ein Block
schaltbild einer Meßsignalverarbeitung im Beobachter Nr. 1
dargestellt und Fig. 10 zeigt ein Blockschaltbild einer
Meßsignalverarbeitung im Beobachter Nummer 2. Fig. 11 zeigt
den "Dynamik-Block" eines Beobachters.
Für den Aufbau des vorgeschlagenen sensorreduzierten
Stellsystems eignen sich Motoren, die nach dem Reluktanz
prinzip arbeiten. Bei solchen Motoren hängen die Induktivi
täten ihrer Wicklungen von der Stellung des Rotors ab. Durch
Messen der Induktivitäten kann daher auf die Rotorlage ge
schlossen werden.
In den Fig. 1 und 2 sind Querschnitte von Reluktanzmoto
ren verschiedener Typen dargestellt. Solche Reluktanzmotoren
sind im Prinzip bereits bekannt und werden beispielsweise in
der WO 90/11641 näher beschrieben.
Der in Fig. 1 dargestellte Reluktanzmotor besitzt drei Sta
torpolpaare, die mit 1, 2, 3 bezeichnet sind und zwei Rotor
polpaare A und B. Der Stator und der Rotor bestehen aus
magnetisierbarem Material, beispielsweise aus Blech. Die
Wicklungen an den sechs Statorpolen sind paarweise zu drei
Wicklungen zusammengefaßt. Über diese drei Wicklungen wird
der Reluktanzmotor angetrieben. In Fig. 1 sind lediglich
die Wicklungen 4a bzw. 4b des Statorpaares 1 abgebildet.
Die Beschränkung auf drei Stator- bzw. Rotorpolpaare ist
beispielhaft, andere Varianten dieses Motortyps können auch
Mehrstator- und Rotorpole besitzen. Alle Reluktanzmotoren,
bei denen die Statorpole einem Blechpaket angehören, werden
im folgenden als Typ I bezeichnet.
Ein weiterer Typ von Reluktanzmotoren, der im folgenden als
Typ II bezeichnet wird, weist magnetische Kreise auf, die
voneinander getrennt sind. Fig. 2 zeigt einen typischen
Motor des Typs II. Er besitzt ebenfalls sechs Wicklungen,
die zu drei Wicklungen zusammengeschaltet werden. Im Unter
schied zum Typ I sind die Wicklungen auf voneinander magne
tisch getrennte Blechpakete aufgebracht. Dies hat den Vor
teil, daß die magnetischen Felder sich nicht gegenseitig be
einflussen können. Dadurch verbessert sich die Genauigkeit
der beobachteten Position erheblich. Die verschiedenen Wick
lungen des Reluktanzmotors nach Fig. 2, die sich auf dem
Stator S mit den sechs Statorelementen befinden sind im
übrigen mit 5a, 5b, 6a, 6b und 7a, 7b bezeichnet, der Rotor
ist mit R bezeichnet.
Wird die Wicklung 4a, 4b des Reluktanzmotors nach Fig. 1
bestromt, so bildet sich ein magnetisches Feld aus. Es ent
steht dadurch eine Anziehungskraft zwischen dem Statorpol 1
und dem Rotorpol A. Der Rotor dreht sich. Eine ständige Be
stromung der Wicklung 4a, 4b des Stators 1 würde dazu füh
ren, daß der Stator 1 und der Rotor a in der sogenannten
"ausgerichteten" Position (aligned position) verharren wür
den. Es wird daher der Strom in der Wicklung kurz vor Errei
chen der "ausgerichteten" Position abgeschaltet und es wird
dann die Wicklung des Stators 3 bestromt. Damit entsteht
eine Anziehungskraft zwischen dem Statorpol 3 und dem Rotor
pol B. Werden die Wicklungen abwechselnd bestromt, dann ent
stehen derartige Kraftverteilungen, daß sich der Rotor
dreht.
Für eine Umdrehung muß also jede Wicklung des Motors nach
Abb. 1 viermal bestromt werden. Für die Wicklungen des
Motors nach Fig. 2 wären für eine Umdrehung zehn Bestromun
gen erforderlich.
In Fig. 3 ist ein Beispiel für eine Bestromung eines
Reluktanzmotors vom Typ I nach Fig. 1 aufgetragen. Es ist
dabei jeweils der Strom I in einem Strang über dem Dreh
winkel aufgetragen. Der Beginn der Bestromung wird als Ein
schaltwinkel αe, das Ende der Bestromung als Ausschaltwinkel
(αa bezeichnet.
Die Induktivitäten der Wicklungen sind von der Rotorlage
abhängig. Für den in Fig. 1 dargestellten Motor ergibt sich
der in Fig. 4 dargestellte Zusammenhang. Ausgehend von
diesem Induktivitätsverlauf wird zur Bestimmung der Position
die Induktivität gemessen. Die Messung sollte dabei vorzugs
weise dann erfolgen, wenn die betreffende Wicklung nicht zu
Antriebszwecken bestromt wird. Wie Fig. 3, die den Zusam
menhang zwischen den Stromen I1, I2, I3 in den einzelnen
Strängen und dem Drehwinkel α zeigt, zu entnehmen ist, ist
immer mindestens eine der Wicklung nicht bestromt und steht
damit als Meßwicklung zur Verfügung.
Zur Messung der Induktivität können zwei verschiedene Metho
den angewandt werden, die im folgenden nach der Beschreibung
der Elektronik zur Ansteuerung des Reluktanzmotors noch
näher erläutert werden.
Die Leistungselektronik zur Ansteuerung des Reluktanzmotors
ist in Fig. 6 dargestellt. Dabei ist der Reluktanzmotor mit
8 bezeichnet. Der Leistungsteil selbst besteht aus dem Wech
selrichter mit drei Halbleitervollbrücken H1, H2, H3 sowie
drei Stromreglern S1, S2, S3.
Jede Halbleiterbrücke des Wechselrichters besitzt vier
Transistoren T1 bis T4. Bei Einschalten der Transistoren T1
und T4 wird die Versorgungsspannung im positiven Sinn an die
Wicklung gelegt. Mit den Transistoren T2 und T3 wird die
Spannung im negativen Sinn auf die Wicklung geschaltet. Die
Wicklungen sind in der Darstellung nach Fig. 6 die Wicklung
4a, 4b des Statorpolpaares 1 bzw. die Wicklung des Stator
polpaares 3.
Jeder Stromregler S1, S2, S3 liefert ein Signal an den Wech
selrichter H1, H2, H3, welches angibt, ob T1/T4 oder aber
T2/T3 durchgeschaltet werden sollen. Entsprechend schalten
die Transistoren T1 bis T4 der einzelnen Halbleiter-Voll
brücken durch.
Für die Stromregelung können beispielsweise Zweipunkt-Regler
mit Hysterese verwendet werden. Bei solchen Reglern pendelt
der Iststrom immer innerhalb der Hysterese um den Sollstrom.
Der Regler schaltet die Wicklungen also abwechselnd auf die
Spannungen +UB und -UB, wobei UB die Versorgungsspannung
ist. In Fig. 5 ist der entsprechende Strom bzw. die Span
nung bei einer Zweipunkt-Stromregelung zur Induktivitätsmes
sung über der Zeit dargestellt.
Ein Schaltzyklus umfaßt einen +UB und einen -UB-Impuls. Die
Steilheit des Stromanstieges hängt direkt von der Induktivi
tät ab. Die Dauer, d. h. die Pulsweite eines Schaltzyklus ist
somit ein Maß für die Induktivität der Wicklung. Während der
Messung wird die Wicklung nicht bestromt, d. h. der Strom
sollwert ist Null. Es ist also zu unterscheiden, ob die
Wicklung zum Erzeugen eines Drehmoments oder zur Messung
benötigt wird.
Bei der Auswertung der Stromreglertaktung wird davon ausge
gangen, daß Zweipunkt-Regler mit Hysterese verwendet werden.
Sie takten wie bereits erwähnt immer um den Sollwert herum
mit der eingestellten Hysteresebreite (Fig. 5). Die Dauer
des Ein/Ausschaltzyklus hängt nahezu linear von der Indukti
vität der Wicklung ab. Damit kann die Induktivitätsbestim
mung auf eine Pulsweitenbestimmung zurückgeführt werden.
Eine solche Pulsweitenbestimmung kann digital sehr einfach
beispielsweise mit einem Timerbaustein aufgebaut werden. Das
der Zusammenhang zwischen der Induktivität und der Pulsweite
tatsächlich weitgehend linear ist, soll im folgenden abge
leitet werden.
Idealisierend wird vorausgesetzt, daß die Schaltelemente
keine Verzögerung aufweisen und verlustlos arbeiten. Die
Zeitpunkte to, t1, t2 (Fig. 5) bezeichnenen die Umschalt
punkte des Stromreglers. Für to < t < t1 steigt der Strom
an, für t1 < t < t2 fällt der Strom ab. Der Einfluß des
Wicklungswiderstandes R kann vernachlässigt werden, da der
Strom durch die Wicklung üblicherweise sehr klein ist. Für
die Pulsweite T ergibt sich damit:
T = 1/UB (2 · X (IH/2, y(t1)) - X (-IH/2, y(t2)) - x
(-IH/2,y(t₀)))
Dabei bedeuten:
UB = Versorgungsspannung des Wechselrichter
IH = Hysteresebreite
y = Position (Rotorstellung)
X( ) magnetischer Fluß als Funktion voll Strom und Position.
UB = Versorgungsspannung des Wechselrichter
IH = Hysteresebreite
y = Position (Rotorstellung)
X( ) magnetischer Fluß als Funktion voll Strom und Position.
Offensichtlich hängt die Pulsweite T auch von der Drehge
schwindigkeit des Rotors ab. Im Stillstand
(y(to) = y (t1) = y (t2) = y) ergibt sich der folgende
Zusammenhang:
T = 4/UB · X(IH/2, y) = 2 L IH/UB
Für die Induktivität L ergibt sich somit:
L = 0,5 T UB/IH = k · T
Somit wäre der lineare Zusammenhang zwischen der Induktivi
tät und der Pulsweite belegt.
Die Methode, nach der die Induktivität ausgehend aus der
Pulsweite bzw. der Periodendauer ermittelt wird, kann unter
gewissen Umständen nachteilig sein, da sich die Betriebs
spannung des Motors stark auf das Meßergebnis auswirkt.
Voraussetzung für diese Methode ist demnach, daß mit
konstanter bzw. weitgehend konstanter Spannung gearbeitet
wird. Ist dies nicht möglich, muß die Induktivitätsmessung
nach einem anderen Verfahren wie sie aus dem Stand der
Technik bekannt sind, durchgeführt werden. Beim Einsatz
gängiger Induktivitätsmeßverfahren, z. B. mit einer Indukti
vitätsmeßbrücke, kann die Betriebsspannungsabhängigkeit ver
mieden werden. Welches Verfahren am günstigsten ist, muß von
Fall zu Fall entschieden werden.
Ausgehend aus den gemessenen Induktivitäten werden die Posi
tionen anhand eines Beobachters rekonstruiert. Ein Block
schaltbild eines Beobachters Nr. 1 ist in Fig. 7 darge
stellt. Bei diesem Beobachter existiert für jede Wicklung
des Motors ein Zweig, -der aus der gemessenen Induktivität
L1, L2, L3 einen Korrekturwert für die Position ableitet. In
Fig. 7 sind entsprechend Blöcke 10, 11, 12 eingezeichnet,
denen die gemessenen Induktivitäten L1, L2, L3 zugeführt
werden. Sie geben entsprechend Positionskorrekturwerte PK1,
PK2, PK3 ab, die im Punkt 13 einander überlagert werden.
Als Eingangsgröße für die Blöcke 10, 11, 12 zur Meßsignal
verarbeitung der Wicklungen 1, 2, 3 wird neben der Informa
tion bezüglich der Induktivitäten L1, L2, L3 auch für jede
Wicklung die Information benötigt, ob die Wicklung zum An
treiben oder zum Messen benötigt wird. Diese Information
kommt von der zugehörigen Motorsteuerung als binäres Signal
und wird im Blockschaltbild der Fig. 7 als
Akutator/Sensorwicklung 1, 2, 3 dargestellt.
An den Punkt 13 schließt sich die Beobachterdynamik 14 an,
an deren Ausgang zum einen die geschätzte Geschwindigkeit vg
sowie die geschätzte Position gp erhalten wird. Die ge
schätzte Geschwindigkeit vg und die geschätzte Position gp
werden nach zeitlicher Verzögerung mit den Totzeitgliedern
67 bzw. 68 dem Block 66 als Positionsvorhersage zugeführt,
der die Rotorposition vorhersagt. Die Totzeitglieder 67 bzw.
68 sind bei der digitalen Realisierung erforderlich. Die
vorhergesagte Position vp wird den Blöcken 10, 11, 12 zuge
führt.
Mit der in Fig. 7 angegebenen Anordnung werden also die
Korrekturwerte PK1, PK2, PK3 aller Zweige auf summiert und
anschließend in einem Dynamikblock 14 weiterverarbeitet.
Dieser Dynamikblock 14 wirkt als Tiefpaßfilter und liefert
am Ausgang die geschätzten Werte für die Drehzahl
(Geschwindigkeit) und die Position. Der Dynamikblock 14 kann
beispielsweise ein Filter zweiter oder dritter Ordnung bil
den.
Ein weiteres Blockschaltbild eines Beobachters Nr. 2 ist in
Fig. 8 dargestellt. Es ist wiederum für jede Wicklung des
Motors ein Kanal zur Meßwertverarbeitung vorhanden. Die
Kanäle sind mit 15, 16, 17 bezeichnet. In jedem Kanal wird
ein Korrekturwert für die geschätzte Position ermittelt. Die
Korrekturwerte werden ebenso wie beim Beispiel nach Fig. 7
auf summiert (Summationspunkt 18) und anschließend einem
Dynamikblock 19 zugeführt. Dieser Dynamikblock 19 wirkt wie
derum als Filter und liefert Schätzwerte der Geschwindigkeit
vg und der Position gp. Die ermittelte Position wird den
Blöcken zur Meßwertverarbeitung 15, 16, 17 wieder zugeführt.
Ebenso werden diesen Blöcken 15, 16, 17 Informationen zuge
führt bezüglich der Induktivitäten L1, L2, L3 der Wicklungen
1, 2, 3 sowie Informationen bezüglich der Wirkung als Akuta
tor/Sensor. Im Unterschied zum Beobachter Nr. 1 wird zusätz
lich noch der Strom in der Wicklung 1, der Strom in der
Wicklung 2 sowie der Strom in der Wicklung 3 wie in Fig. 8
dargestellt, zugeführt. Mit den Blöcken 20, 21 und 22 er
folgt wiederum die Vorhersage der Position vp.
Als Eingangsgröße für die Blöcke 15, 16, 17 zur Meßsignal
verarbeitung der Wicklungen 1, 2, 3 wird neben der Informa
tion bezüglich der Induktivitäten L1, L2, L3 auch für jede
Wicklung die Information benötigt, ob die Wicklung zum An
treiben oder zum Messen benutzt wird. Diese Information
kommt von der zugehörigen Motorsteuerung als binäres Signal
und wird im Blockschaltbild der Fig. 8 als Aktuator/Sensor-
Wicklung 1, 2, 3 dargestellt.
In Fig. 9 ist dargestellt, wie im Beobachter Nr. 1 aus der
gemessenen Induktivität L der Positionskorrekturwert pk ge
bildet wird. Aus der vorhergesagten Position vp wird ein
Schätzwert für die Induktivität Lg abgeleitet, wobei die Ab
leitung in den Blöcken 23, 24 erfolgt. Aus der vorhergesag
ten Position gp wird der Winkel zwischen Stator- und Rotor
pol berechnet, es wird also die Relativposition des Motors
ermittelt. Die Relativpositionen für die drei Meßsignalver
arbeitungskanäle werden wie folgt berechnet:
Kanal zur Wicklung 1: y(1, k) = yk mod(π/2)
Kanal für Wicklung 2: y(2, k) = (yk - π/3) mod (π/2)
Kanal für Wicklung 3: y(3, k) = (yk - 2 π/3) mod (π/2)
Kanal für Wicklung 2: y(2, k) = (yk - π/3) mod (π/2)
Kanal für Wicklung 3: y(3, k) = (yk - 2 π/3) mod (π/2)
Dabei bedeutet y(k): vorhergesagte Position zum Zeitpunkt k
y(1, k), y(2, k), y(3, k): vorhergesagte Relativpositionen
der drei Kanäle zur Meßsignalverarbeitung.
Die Relativpositionen stehen am Ausgang des Blockes 23 zur
Verfügung und werden weiterverarbeitet im Block 24 zur Er
zeugung einer geschätzten Induktivität Lg. Der Zusammenhang
von Relativposition und Induktivität ist in einer Tabelle
abgelegt, dies wird mit Block 24 symbolisiert.
Aus der geschätzten Induktivität Lg und der gemessenen In
duktivität L wird in Punkt 25 die Differenz gebildet. Diese
Differenz wird im Block 26 mit einem Verstärkungsfaktor mul
tipliziert, der ausgehend aus der Relativposition im Block
27 gebildet wird. Das Ergebnis wird in Abhängigkeit von der
Schalterstellung des Blocks 28 weitergegeben.
Als Resultat wird ein Korrekturwert pk erhalten. Der Schal
ter im Block 28 ist geschlossen, wenn die logischen Bedin
gungen im Block 69 erfüllt sind. Dies ist dann der Fall,
wenn das Signal Akutator/Sensor AS anzeigt, daß die Wicklung
als Meßwicklung betrieben wird und die gemessene Induktivi
tät innerhalb eines Intervalls Lmin, Lmax liegt. Der Verstär
kungsfaktor hängt von der geschätzten Position ab, dies ist
erforderlich, da der Zusammenhang zwischen Induktivität und
Position nicht eindeutig ist. An bestimmten Positionen ist
mit einer Wicklung nicht entscheidbar, ob sich der Rotor
vor- oder zurückdreht. Dann muß der Verstärkungsfaktor
gleich Null sein. Mit Hilfe einer zweiten Wicklung ist aber
die Drehrichtung eindeutig bestimmbar. Die nähere Erläute
rung der Drehrichtungserkennung wird anhand des folgenden
Ausführungsbeispieles verdeutlicht.
Wird eine Wicklung bestromt, wird der entsprechende Korrek
turwert auf Null gesetzt, da in diesem Fall die Induktivi
tätsmessung unterbleiben soll. Die Umschaltung von Antrieb
auf Sensor bzw. die Wahl des richtigen Positionskorrektur
wertes ist durch Block 28 symbolisiert (A/S).
Da bei Motoren des Typs I die magnetischen Kreise miteinan
der wie Transformatoren verkoppelt sind, ist das Induktivi
tätsmeßsignal unter Umständen stark gestört. Eine wesentli
che Verbesserung bezüglich der Dynamik und der Genauigkeit
wird erzielt, wenn als Motor ein solcher verwendet wird, bei
dem die magnetischen Kreise voneinander isoliert sind. Dies
wird üblicherweise mit Motoren des Typs II erreicht. Die ge
eignete Kombination von Motorkonstruktion und Positions
beobachter führt zu dem gewünschten Resultat.
Der Aufbau eines weiteren Kanals zur Meßsignalverarbeitung
im Beobachter Nr. 2 ist in Fig. 10 dargestellt. Bei dieser
Meßsignalverarbeitung im Beobachter Nr. 2 wird im Unter
schied zur Meßsignalverarbeitung im Beobachter Nr. 1 die ge
schätzte Induktivität unter Berücksichtigung der Bestromung
der Nachbarwicklungen bestimmt. Die Induktivitätskennlinie
enthält dabei neben der Position nun auch den Parameter
Iststrom der Nachbarwicklung.
Jede Wicklung hat zwei Nachbarwicklungen, d. h. es wäre
notwendig, die Induktivitätskennlinie sogar mit drei
Parametern zu versehen: der geschätzten Position, dem Strom
durch die erste Nachbarwicklung und dem Strom durch die
zweite Nachbarwicklung. Bei Untersuchungen hat sich jedoch
gezeigt, daß immer der Einfluß einer Nachbarwicklung
dominiert. Welche Nachbarwicklung dominant ist, hängt von
der Rotorstellung ab. Dies wird dazu ausgenutzt, die Anzahl
der Parameter der Induktivitätskennlinie zu reduzieren. Je
nachdem, ob die Relativposition negativ oder positiv ist,
wird der Iststrom der einen oder der anderen Wicklung ver
sendet.
Wird die Wicklung 1 betrachtet, so wird bei negativer Rela
tivposition der Strom von Wicklung 2 verwendet und bei posi
tiver Relativposition der Strom von Wicklung 3 Entsprechen
des gilt für die Wicklungen 3 und 1 bzw. für Wicklung 2 mit
1 und 2. Die Quantisierung des Kennfeldes für den Parameter
strom ist sehr klein (beispielsweise 10 Schritte).
Im Dynamikblock 14 bzw. 19 der Fig. 7 bzw. 8 werden die
zu einem Korrekturwert aufsummierten Positionskorrekturwerte
PK1, PK2, PK3 verarbeitet. Das zugehörige Signal ist im all
gemeinen stark verrauscht. Zur Filterung wird deshalb der
Block "Beobachterdynamik" 14, 19 verwendet. In Fig. 11 ist
ein Blockschaltbild der Beobachterdynamik 14, 19 darge
stellt.
Der Dynamikblock 14, 19 stellt ein Filter zweiter oder drit
ter Ordnung dar, die gestrichelt eingezeichneten Blöcke er
gänzen das Filter zweiter Ordnung zu einem Filter dritter
Ordnung. Als Filter dritter Ordnung umfaßt der Dynamikblock
drei Blöcke 36, 37, 38, in denen Korrekturwerte K1, K2, K3
abgelegt sind. Über Zeitglieder 39, 40, 41 sowie Summations
punkte 45, 46, 47, 48, 49 erfolgt die Signalverarbeitung.
Dabei wird sowohl die geschätzte Position y als auch die ge
schätzte Geschwindigkeit x und die geschätzte Beschleunigung
über Verzögerungsblöcke 42, 43, 44 auf die entsprechenden
Summations- bzw. Überlagerungspunkte zurückgekoppelt.
Wird in der vereinfachten Version lediglich ein Filter zwei
ter Ordnung verwendet, besteht die Möglichkeit, daß bei län
gerer Beschleunigung des Rotors die geschätzte Geschwindig
keit der Istgeschwindigkeit hinterher eilt, es ergibt sich
eine bleibende Abweichung während der Beschleunigungsphase.
Bei hohen Verstärkungsfaktoren reagiert der Beobachter sehr
schnell, es wird eine gute Dynamik erhalten. Bei niedrigen
Verstärkungsfaktoren werden die Störungen der Pulsweitenmes
sung besser bedämpft, d. h. da geschätzte Positionssignal
ist ruhiger und genauer, womit eine hohe Genauigkeit bei der
Auswertung erhalten wird. Durch geeignete Wahl der Verstär
kung muß im allgemeinen ein Kompromiß gesucht werden.
Unter gewissen Umständen können die Induktivitätsmeßsignale
starken Störungen unterliegen, der Motor kann auch sehr
dynamisch sein. Es besteht dann die Gefahr, daß keine Lösung
gefunden wird. In diesem Fall ist es erforderlich, entweder
die Signalqualität zu verbessern oder es müssen Einschrän
kungen bei der Dynamik des Beobachters in Kauf genommen wer
den.
In der zeitdiskreten Realisierung des Beobachters lauten die
Berechnungsgleichungen des Dynamikblocks 14 bzw. 19:
Yk+1 = Yk + T xk + T · k₁ ΔyΣk,
xk+1 = xk + T ak + T · k₂ ΔyΣk,
ak+1 = ak + T · k₃ ΔyΣk,
mit: ak . . . geschätzte Beschleunigung zum Zeitpunkt k
xk . . . geschätzte Geschwindigkeit zum Zeitpunkt k
yk . . . geschätzte Position zum Zeitpunkt k,
Δy Σ kk . . . Summe aller Positions-Korrekturwerte zum Zeitpunkt k,
T . . . Abtastperiode.
xk+1 = xk + T ak + T · k₂ ΔyΣk,
ak+1 = ak + T · k₃ ΔyΣk,
mit: ak . . . geschätzte Beschleunigung zum Zeitpunkt k
xk . . . geschätzte Geschwindigkeit zum Zeitpunkt k
yk . . . geschätzte Position zum Zeitpunkt k,
Δy Σ kk . . . Summe aller Positions-Korrekturwerte zum Zeitpunkt k,
T . . . Abtastperiode.
Zur Bestimmung der geschätzten Induktivität wird die vorher
gesagte Position benötigt. In der digitalen Realisierung ist
aufgrund der endlich kleinen Abtastperiode eine Totzeit vor
handen. Weiterhin ist die Rechenzeit des Beobachters zu be
achten. Zudem muß berücksichtigt werden, daß die Pulsweiten
messung asynchron zum Beobachter abläuft. Letztendlich wird
die vorhergesagte Position nach der Formel für y aus den
vorherigen Werten der Position und der Geschwindigkeit be
rechnet:
yk = yk-1 - Ttot · xk-1,
mit: yk vorhergesagte Position,
yk-1 geschätzte Position des vorherigen Tast schrittes
xk-1 geschätzte Geschwindigkeit des vorherigen Tastschrittes,
Ttot Totzeit,
iNB Strom der Nachbarwicklung.
mit: yk vorhergesagte Position,
yk-1 geschätzte Position des vorherigen Tast schrittes
xk-1 geschätzte Geschwindigkeit des vorherigen Tastschrittes,
Ttot Totzeit,
iNB Strom der Nachbarwicklung.
Claims (12)
1. Vorrichtung zum Antrieb und zur Lagebestimmung bei einem
Stellsystem, bei dem der Antrieb mittels eines Reluktanzmo
tors durchgeführt wird und laufend eine Positionsbestimmung
erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß die Positionsbestimmung
ausgehend von der positionsabhängigen Induktivität der Wick
lungen des Reluktanzmotors erfolgt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Positionsbestimmung aus gemessenen Induktivitäten der
Wicklungen des Reluktanzmotors unter Verwendung eines
Beobachters erfolgt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich
net, daß zur Ansteuerung des Reluktanzmotors ein Zwei
punktregler mit Hysterese eingesetzt wird und die Messung
der Induktivitäten über die Bestimmung der Periodendauer dem
Taktverhältnisses des Reglers erfolgt.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß
die Messung der Induktivitäten der Spulen jeweils dann er
folgt, wenn die betreffende Spule nicht bestromt wird.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich
net, daß die Bestimmung der Induktivitäten der Wicklungen
des Motors nach einem vorgebbaren Induktivitätmeßverfahren
erfolgt.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da
durch gekennzeichnet, daß als Antriebsmotor ein Reluktanz
motor eingesetzt wird, bei dem die magnetischen Kreise
voneinander getrennt sind.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß als Antriebsmotor ein Reluktanz
motor eingesetzt wird, bei dem die magnetischen Kreise
miteinander gekoppelt sind und bei der Auswertung die
magnetische Kopplung der Wicklungen kompensiert wird.
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß jeder Wicklung des Motors oder
jedem Wicklungspaar eine eigene Meßsignalverarbeitung zuge
ordnet wird und jeweils erhaltene Positionskorrekturwerte zu
einem gesamten Positionskorrekturwert auf summiert wird.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß
der auf summierte Positionskorrekturwert in einer Beobachter
dynamik gefiltert wird zur Ermittlung einer geschätzten Ge
schwindigkeit und einer geschätzten Position.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß
die Beobachterdynamik ein Filter zweiter oder dritter Ord
nung darstellt und am Ausgang der Beobachterdynamik Werte
für eine geschätzte Position, eine geschätzte Geschwindig
keit und bei einem Filter dritter Ordnung auch für eine ge
schätzte Beschleunigung abgegeben werden.
11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind, die die
ermittelten Werte für die Induktivitäten der Spulen mit
oberen und/oder unteren Grenzen vergleichen und eine Signal
freigabe nur dann erfolgt, wenn die ermittelten Induktivitä
ten innerhalb dieser Grenzen liegen.
12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da
durch gekennzeichnet, daß weitere Mittel vorhanden sind, die
erkennen lassen, ob eine der Spulen des Reluktanzmotors be
stromt wird und zum Aufbau eines Drehmoments führt oder
nicht bestromt wird und als Sensor aktiv ist, wobei diese
Mittel eine Signalfreigabe für den Positionskorrekturwert
nur dann zulassen, wenn die betreffende Wicklung als Sensor
aktiv ist.
Priority Applications (1)
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---|---|---|---|
DE19503492A DE19503492A1 (de) | 1995-02-03 | 1995-02-03 | Vorrichtung zum Antrieb und Lagebestimmung bei einem Stellsystem |
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DE19503492A DE19503492A1 (de) | 1995-02-03 | 1995-02-03 | Vorrichtung zum Antrieb und Lagebestimmung bei einem Stellsystem |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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DE19503492A1 true DE19503492A1 (de) | 1996-08-08 |
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ID=7753074
Family Applications (1)
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