DE19503492A1

DE19503492A1 - Vorrichtung zum Antrieb und Lagebestimmung bei einem Stellsystem

Info

Publication number: DE19503492A1
Application number: DE19503492A
Authority: DE
Inventors: Rainer Dipl Ing Bitzer; Karl-Heinz Dipl Phys D Haegele; Claus Dr Ing Kramer; Steffen Dipl Ing Kaehler; Arnold Dipl Ing Winter; Joachim Dr Ing Luh
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1995-02-03
Filing date: 1995-02-03
Publication date: 1996-08-08

Description

Stand der Technik

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.

Vorteile der Erfindung

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.

Zeichnung

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.

Beschreibung

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.

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)

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 L_min, L_max 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:

Y_k+1 = Y_k + T x_k + T · k₁ ΔyΣ_k,
x_k+1 = x_k + T a_k + T · k₂ ΔyΣ_k,
a_k+1 = a_k + T · k₃ ΔyΣ_k,
mit: a_k . . . geschätzte Beschleunigung zum Zeitpunkt k
x_k . . . geschätzte Geschwindigkeit zum Zeitpunkt k
y_k . . . geschätzte Position zum Zeitpunkt k,
Δ_y _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:

y_k = y_k-1 - T_tot · x_k-1,
mit: y_k vorhergesagte Position,
y_k-1 geschätzte Position des vorherigen Tast schrittes
x_k-1 geschätzte Geschwindigkeit des vorherigen Tastschrittes,
T_tot Totzeit,
i_NB Strom der Nachbarwicklung.

Claims

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.