DE19914228A1

DE19914228A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Reduzieren akustischen Rauschens in einem elektrischen Motor mit geschalteter Reluktanz

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Publication number: DE19914228A1
Application number: DE19914228A
Authority: DE
Inventors: Ramani R Kalpathi; Liu Ning; Scott E Blackburn; Sergei F Kolomeitsev
Original assignee: Dana Inc
Current assignee: Dana Inc
Priority date: 1998-03-30
Filing date: 1999-03-29
Publication date: 1999-10-07
Also published as: US5973462A

Abstract

Ein Motorantrieb mit geschalteter Reluktanz enthält eine Rauschreduktionsschaltung, die konfiguriert ist, um das Abklingen eines Stroms zu steuern, wenn eine Motorphase von aktiv zu inaktiv geschaltet wird. Das Abklingen des Stroms wird derart gesteuert, daß es in zwei Stufen erfolgt: einem ersten Abschnitt und einem zweiten Abschnitt. Der erste Abschnitt wird durch abwechselndes Aktivieren und Deaktivieren eines der zwei Schalter in der Antriebstopologie mit zwei Schaltern gesteuert, um ein Stromprofil zu erhalten, das mit einem vorbestimmten Profil übereinstimmt. Das Abklingen des Stroms im zweiten Abschnitt des inaktiven Intervalls erfolgt durch Ausgeschaltethalten der beiden Schalter, so daß ein natürliches Abklingen erfolgt. Die Dauer des ersten Abschnitts des inaktiven Intervalls ist für jede Motorphase unterschiedlich, wie es der Abtastzyklus des Umschaltaustastungssignals ist, das den Schalter treibt, der abwechselnd aktiviert und deaktiviert wird. Das Schema reduziert das während eines Betriebs des Motors erzeugte akustische Rauschen.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG 1. Technisches Gebiet

Diese Erfindung betrifft allgemein ein System zum Steuern eines Motors mit geschal teter Reluktanz (SR), und insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Re duzieren akustischen Rauschens bzw. eines akustischen Geräuschs, das durch ei nen elektrischen SR-Motor erzeugt wird.

2. Diskussion des zugehörigen Standes der Technik

Maschinen mit geschalteter Reluktanz (SRMs) sind aufgrund ihrer vielen Vorteile, die sie zur Anwendung in einer breiten Vielfalt von Situationen geeignet machen, der Gegenstand vermehrter Untersuchungen gewesen. Eine SR-Maschine arbeitet auf der Basis einer sich ändernden Reluktanz in ihren mehreren Magnetschaltkreisen. Insbesondere sind solche Maschinen allgemein doppelt hervorragend - d. h. sie ha ben Zähne oder Pole an sowohl dem Stator als auch dem Rotor. Die Statorpole ha ben um sie herum gewickelte Wicklungen, die Maschinenphasen des Motors bilden. Bei einer allgemeinen Konfiguration sind Statorwicklungen an diametral gegenüber liegenden Polen in Reihe geschaltet, um eine Maschinenphase zu bilden.

Wenn eine Maschinenphase erregt wird, wird das nächste Rotorpolpaar in Richtung zum Statorpolpaar mit der erregten Statorwicklung angezogen, wodurch die Reluk tanz des magnetischen Pfads minimiert wird. Durch Erregen aufeinanderfolgender Statorwicklungen (d. h. Maschinenphasen) in Aufeinanderfolge auf zyklische Weise ist es möglich, ein Drehmoment zu entwickeln, und somit eine Drehung des Rotors in entweder eine Uhrzeigerrichtung oder eine Gegenuhrzeigerrichtung.

Ein Problem beim Betrieb herkömmlicher Motoren mit geschalteter Reluktanz be steht in akustischem Rauschen. Das Rauschen wird durch eine abrupte Änderung des Stroms durch die Phasenwicklung verursacht, wenn die Phase von einem akti ven Zustand (d. h. Strom, der von einer Leistungsversorgung zur Phasenwicklung zugeführt wird) zu einem inaktiven Zustand (d. h. wenn ein Reststrom, der in der Wicklung existiert, entweder zur Leistungsversorgung zurückgebracht oder dissipiert wird) übergeht. Die abrupte Änderung beim Strom resultiert in Kräften, die sich selbst in akustischem Rauschen zeigen. Ein im Stand der Technik genommener Ansatz für ein Reduzieren des akustischen Rauschens enthält einen zweistufigen Abklingvor gang des Reststroms, um die Abruptheit bei der Änderung des Stroms zu verringern. Während einer ersten Stufe, die sofort beginnt, nachdem die Phase ausgeschaltet wird, wird der Reststrom unter Verwendung einer Technik für ein Abklingen einer Spannung auf Null einem Abklingen unterzogen (d. h. der Strom zirkuliert durch die Wicklung, einen Schalter und eine Diode), und zwar für eine Dauer, die gleich einer Hälfte der Resonanzzeitperiode des Motors ist. Während der zweiten Stufe wird der übrige Strom unter Verwendung einer erzwungenen Kommutationstechnik einem Abklingen unterzogen (z. B. für eine Zweischalter-Antriebstopologie zirkuliert der Strom durch beide Dioden und zurück durch die Leistungsversorgung). Ein Nachteil bei diesem Ansatz besteht darin, daß der Strom in jeder Stufe "natürlich" abklingt, und daß weiterhin die Dauer jeder Stufe für alle Phasen des Motors dieselbe ist. Während der Ansatz beim Reduzieren akustischen Rauschens teilweise effektiv ist, läßt der Mangel an Steuerung über das Abklingprofil wesentlichen Raum für eine Verbesserung beim Reduzieren akustischen Rauschens.

Ein weiterer im Stand der Technik genommener Ansatz enthält die "Steuerung" des Reststroms vom Beginn des inaktiven Teils der Phase bis zum Abklingen des Pha senstroms auf im wesentlichen Null. Ein Nachteil dieses Ansatzes besteht darin, daß von ihm gefordert oder gewünscht werden kann, den Strom schneller als möglich mit einem gesteuerten Ansatz über den gesamten inaktiven Teil der Phase einem Ab klingen auf Null zu unterziehen.

Demgemäß gibt es eine Notwendigkeit zum Schaffen eines verbesserten Systems zum Steuern einer Maschine mit geschalteter Reluktanz, das eines oder mehrere der oben aufgezeigten Probleme minimiert oder eliminiert.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung schafft ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Vorrichtung zum Reduzieren akustischen Rauschens in einem Motor mit geschalte ter Reluktanz (SRM). Eine Vorrichtung gemäß der Erfindung steuert einen Strom durch eine Wicklung, die eine Maschinenphase des SRM definiert. Die Maschinen phase enthält aktive und inaktive Intervalle. Eine Vorrichtung gemäß der Erfindung enthält die folgenden Hauptkomponenten: eine Schalteinrichtung, eine Steuereinrich tung zum Erzeugen von Umschaltbefehlssignalen und eine Einrichtung zum Steuern des Stroms durch die Wicklung. Die Schalteinrichtung enthält einen ersten und einen zweiten Schalter, zwischen welchen die Wicklung angeschlossen ist. Die Steuerein richtung antwortet auf wenigstens eine Betriebscharakteristik des SRM, die eine Winkelposition eines Rotors sein kann. Die Steuereinrichtung ist konfiguriert, um ein erstes Umschaltbefehlssignal und ein zweites Umschaltbefehlssignal zu erzeugen. Die Einrichtung zum Steuern des Stroms durch die Wicklung ist an den ersten und an den zweiten Schalter angeschlossen und kann vorzugsweise eine Rauschreduk tionsschaltung enthalten. Die Rauschreduktionsschaltung kann auf die Umschaltbe fehlssignale antworten und konfiguriert sein, (i) um den Strom durch die Wicklung gemäß einem ersten vorbestimmten Profil während eines ersten Abschnitts des in aktiven Intervalls zu steuern, und (ii) um zuzulassen, den Strom während eines zweiten Abschnitts des inaktiven Intervalls nach dem ersten Abschnitt des inaktiven Intervalls natürlich abklingen zu lassen.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist der erste Abschnitt des inaktiven Teils der Phase eine Vielzahl von Unterzyklen auf, die sich mit einer im wesentlichen festen Frequenz wiederholen. Weiterhin weist jeder Unterzyklus, ebenso bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel, ein erstes Segment und ein zweites Segment auf, wobei während des ersten Segments einer von dem ersten und dem zweiten Schal ter aktiviert wird und der andere der Schalter deaktiviert wird. Während des zweiten Segments werden beide von dem ersten und dem zweiten Schalter deaktiviert. Weiterhin kann der SRM ein Mehrphasen-SRM sein, wobei die Dauer des ersten Abschnitts des inaktiven Intervalls der ersten Phase anders als die Dauer des ersten Abschnitts einer zweiten Phase sein kann. Ein Zuschneiden bzw. Eingrenzen der Dauer des ersten Abschnitts oder einer Stufe des Stromabfalls für jede Phase, wenn die Phase zu einem inaktiven Zustand geht, liefert ein wesentliches Maß an akusti scher Rauschreduktion. Bei einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel wer den die Stromprofile während der jeweiligen ersten Abschnitte durch Verändern des Tastzyklus des Umschaltaustastungssignals bzw. des Umschaltauswertungssignals verändert.

Diese und andere Merkmale und Aufgaben dieser Erfindung werden einem Fach mann auf dem Gebiet aus der folgenden detaillierten Beschreibung offensichtlich, und den beigefügten Zeichnungen, die Merkmale dieser Erfindung anhand eines Beispiels darstellen, aber keineswegs beschränkend sind.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist eine perspektivische Explosionsansicht eines Abschnitts eines elek trischen Motors mit geschalteter Reluktanz, der zur Verwendung in Zu sammenhang mit dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegen den Erfindung geeignet ist.

Fig. 2 ist eine diagrammäßige übertrieben dargestellte Querschnittsansicht eines elektrischen Motors mit geschalteter Reluktanz, welche Ansicht die relativen Positionen eines Stators und eines Rotorabschnitts davon darstellt.

Fig. 3 ist eine vereinfachte Blockansicht und schematische Diagrammansicht, die ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines Motorsteuersystems gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.

Fig. 4 ist eine vereinfachte schematische Ansicht und eine Blockdiagramm ansicht, die die in Fig. 3 gezeigte Rauschreduktionsschaltung detail lierter zeigt.

Fig. 5A-5G sind vereinfachte Kurven für eine Spannung über der Zeit von Signalen, die an verschiedenen Knoten in der in Fig. 4 gezeigten Rauschredukti onsschaltung erzeugt werden.

Fig. 6A-6C sind vereinfachte Zeitdiagrammansichten, die darstellen, wie die Um schaltaustastungssignale, die gemäß der vorliegenden Erfindung er zeugt werden, den Strom während eines inaktiven Intervalls der Phase steuern.

Fig. 7 ist eine vergrößerte Kurve für einen Phasenstrom über der Zeit des Stromprofils, das während eines ersten Abschnitts der inaktiven Phase erzeugt wird, wie es in Fig. 6C gezeigt ist.

Fig. 8 zeigt eine vereinfachte Kurve für einen Phasenstrom über der Zeit des Phasenstroms durch eine zweite Phasenwicklung, der unterschiedlich von dem Phasenwicklungsstrom ist, der in Fig. 6C gezeigt ist.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE

Nimmt man nun Bezug auf die Zeichnungen, wobei gleiche Bezugszeichen zum Identifizieren identischer Komponenten in den verschiedenen Ansichten verwendet werden, zeigt Fig. 1 die mechanischen Hauptkomponenten eines elektrischen Mo tors mit geschalteter Reluktanz (SR) 10, der eine Statoranordnung 12 und eine Ro toranordnung 14 enthält.

Obwohl die Erfindung in Zusammenhang mit einem elektrischen Motor mit geschalte ter Reluktanz 10 beschrieben und dargestellt wird, wird angenommen, daß diese Erfindung in Zusammenhang mit anderen wohlbekannten Elektromotor-Strukturen verwendet werden kann. Die Statoranordnung 12 weist bei einem bevorzugten Aus führungsbeispiel eine Vielzahl von Laminierungen 16 auf. Die Laminierungen sind unter Verwendung eines magnetisch permeablen Materials, wie beispielsweise Ei sen, ausgebildet.

Der Stator 12 hat allgemein eine hohle und zylindrische Form. Eine Vielzahl von sich radial nach innen erstreckenden Polen 18 ist am Stator 12 (über den Laminierungen 16) ausgebildet, und sie erstrecken sich durch seine gesamte Länge. Pole 18 sind vorzugsweise in diametral gegenüberliegenden Paaren vorgesehen. Beim darstel lenden Ausführungsbeispiel enthält jeder der sechs Pole 18 ein jeweiliges Paar von Zähnen 19, was eine Gesamtheit von 12 Zähnen ergibt. Es sollte jedoch angenom men werden, daß bei einer bestimmten Konfiguration eine größere oder kleinere An zahl von Polen 18 vorgesehen sein kann.

Jeder der Pole 18 kann im Querschnitt genommen eine allgemein rechteckige Form haben. Die radial innersten Oberflächen der Pole 18 sind etwas gebogen, um einen Innendurchmesser zu definieren, der eine Bohrung 20 darstellt. Die Bohrung 20 ist größenmäßig dazu angepaßt, die Rotoranordnung 14 aufzunehmen.

Wenn die Rotoranordnung 14 in den Stator 12 eingebaut ist (wie es am besten in Fig. 2 gezeigt ist), ist sie innerhalb des Stators 12 für eine relative Drehbewegung durch eine herkömmliche Einrichtung koaxial gelagert. Nur zum Zwecke der Be schreibung und keineswegs beschränkend kann die Rotoranordnung 14 durch her kömmliche Lager (nicht dargestellt) gelagert bzw. gestützt sein, die in herkömmlichen Wickelkopfhauben (nicht gezeigt) montiert sind, die an den Längsenden der Sta toranordnung 12 gesichert sind. Die Rotoranordnung 14 enthält eine allgemein zylin drische Welle 22 und einen Rotor 24. Die Welle 22 kann hohl sein, obwohl sie in Fig. 1 derart dargestellt ist, daß sie fest ist. Der Rotor 24 ist an der Welle 22 zur Drehung mit ihr gesichert. Beispielsweise kann der Rotor 24 mittels einer Keilwellennut (nicht gezeigt) oder einer anderen herkömmlichen Einrichtung, die im Stand der Technik wohlbekannt ist, gesichert sein. Somit sollte angenommen werden, daß die Welle 22 und der Rotor 24 sich zusammen als Einheit drehen.

Der Rotor 24 enthält eine Vielzahl von Polen 26, die an seiner Außenfläche ausge bildet sind. Jeder Pol 26 erstreckt sich von seiner Außenfläche in radialer Richtung nach außen und ist mit einer allgemein rechteckigen Form ausgebildet, wenn sein Querschnitt genommen wird. Die Rotorpole 26 erstrecken sich in Längsrichtung durch die gesamte Länge der Außenfläche des Rotors 24. Die radial äußersten Oberflächen der Rotorpole 26 sind gebogen, um einen Außendurchmesser zu defi nieren, der größenmäßig dazu angepaßt ist, innerhalb des Innendurchmessers, der die Bohrung 20 definiert, aufgenommen zu werden. Das bedeutet, daß der Außen durchmesser, der durch die Pole 26 ausgebildet wird, etwas kleiner als der Innen durchmesser ist, der die radial innersten gebogenenen Oberflächen der Statorpole 18 definierte. Die Rotorpole 26 können auch in diametral gegenüberliegenden Paa ren vorgesehen sein. Bei der dargestellten Rotoranordnung 14 sind vierzehn (14) Rotorpole 26 vorgesehen; es sollte jedoch angenommen werden, daß eine größere oder kleinere Anzahl von Rotorpolen 26 vorgesehen sein kann. Für SR-Motoren un terscheidet sich die Anzahl von Rotorpolen 26 allgemein von der Anzahl von Stator polen 18, wie es wohlbekannt ist. Der Rotor 24, einschließlich der Pole 26, kann aus einem magnetisch permeablen Material, wie beispielsweise Eisen, ausgebildet sein.

Nimmt man nun Bezug auf Fig. 2, ist eine diagrammäßige Ansicht eines Quer schnitts eines zusammengebauten Motors 10 dargestellt. Insbesondere, wie es oben angegeben ist, treten die Pole 18 in Paaren auf: d. h. A A', B B' und C C'. Die Rotor pole 26 erscheinen ebenso in Paaren. Die Statorwicklungen 28 (die der Klarheit hal ber nur am Statorpolpaar A A' gezeigt sind) aus diametral gegenüberliegenden Po len (z. B. A A'), die zum Stator 12 gehören, sind in Reihe geschaltet, um eine Ma schinenphase zu bilden. Somit werden die Wicklungen 28 an den Polen A A' "Maschinenphase A" des SR-Motors 10 genannt.

Beim dargestellten Beispiel hat der SR-Motor 10 auch eine Maschinenphase B und eine Maschinenphase C. Jede dieser drei Maschinenphasen kann einzeln erregt werden, was dann, wenn es auf eine gesteuerte Weise durchgeführt wird, für eine Drehung des Rotors 24 sorgt. Obwohl eine Dreiphasenmaschine beschrieben und dargestellt ist, wird eine Maschine mit irgendeiner Anzahl von Phasen derart betrach tet, daß sie in den Sinn und Schutzumfang der vorliegenden Erfindung fällt.

Nimmt man nun Bezug auf Fig. 3, ist eine bevorzugte Umgebung dargestellt, in wel cher das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann. Fig. 3 stellt eine Vorrichtung (29) zum Steuern eines Stroms durch eine Wicklung dar, die eine Maschinenphase einer Maschine mit geschalteter Reluktanz definiert. Die Ma schinenphase enthält aktive und inaktive Intervalle. Obwohl es für eine Maschinen phase gezeigt ist, können für einen Mehrphasen-SRM 10 mehrere Vorrichtungen 29 verwendet werden, und zwar eine für jede Phase. Die Vorrichtung 29 weist eine Schalteinrichtung mit einem ersten (oder oberen) Schalter Q_U und einem zweiten (oder unteren) Schalter Q_L auf, eine Eingabeeinrichtung 30, eine Einrichtung, wie beispielsweise eine Steuerschaltung 32, zum Erzeugen eines ersten Umschaltbe fehlssignals V_U und eines zweiten Umschaltbefehlssignals V_L, eine Einrichtung, wie beispielsweise eine Rauschreduktionsschaltung 34, zum Steuern des Stroms durch die Wicklung, wenn die Phase inaktiv ist, Gatter-Treiberschaltungen 36 _U und 36 _L, eine Leistungsversorgung 38, eine erste Diode D1 und eine zweite Diode D2.

Die in Fig. 3 gezeigte Schaltung enthält eine wohlbekannte Topologie aus einer Zweierschaltung pro Phasenerregung oder Treibertopologie. Die Schalter Q_U und Q_L können Halbleitervorrichtungen sein, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus entweder Feldeffekttransistoren (FET) oder Bipolartransistoren mit isoliertem Gate (IGBT) besteht. Wie es dargestellt ist, ist die Wicklung der i-ten Phase des SRM 10, nämlich 28 _i, zwischen den Schaltern Q_U und Q_L angeschlossen. Der Strom durch die Wicklung 28 _i ist mit I_P bezeichnet.

Ein Eingabeblock 30 ist zum Erfassen oder zum Bestimmen auf andere Weise von einer oder mehreren Betriebscharakteristiken oder von Parametern des Motors mit geschalteter Reluktanz 10 vorgesehen, und zum Erzeugen von einem oder mehre ren Betriebscharakteristiksignalen S₁, . . ., S_n in Antwort darauf. Solche Betriebscha rakteristiken können Winkelpositionsparameter des Rotors 14 relativ zum Stator 12, einen Winkelgeschwindigkeitsparameter des Rotors 14 relativ zum Stator 12, die Größe des Phasenstroms durch die Wicklung 28 _i, sowie andere Betriebscharakteri stiken, die Fachleuten auf dem Gebiet wohlbekannt sind, enthalten. Der Eingabe block 30 kann eine herkömmliche und wohlbekannte Erfassungsschaltung und/oder -vor richtungen aufweisen.

Eine Steuerschaltung 32 antwortet auf wenigstens eines der Betriebscharakteristik signale S₁, . . ., S_n zum Erzeugen von Umschaltbefehlssignalen V_U und V_L. Die Steu erschaltung 32 kann eine herkömmliche und wohlbekannte Schaltung und/oder Vor richtungen zum Erzeugen von Umschaltbefehlssignalen V_U und V_L aufweisen (d. h. die manchmal auch als Phasenkommutationssignale bekannt sind). Bei einem be vorzugten Ausführungsbeispiel enthält die Steuerschaltung 32 eine Mikrosteuerung, die konfiguriert ist, um Signale V_U und V_L gemäß einer vorbestimmten vorprogram mierten Betriebsstrategie zu erzeugen. Der Stand der Technik ist voll von verschie denen Betriebsstrategien zum Erzeugen der Umschaltbefehlssignale. Das Verfahren und die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist unabhängig von der in irgendeinem bestimmten Fall ausgewählten Betriebsstrategie.

Eine Rauschreduktionsschaltung 34 antwortet auf die Signale V_U und V_L und ist mit tels Treibern 36 mit den Schaltern Q_U und Q_L gekoppelt. Die Schaltung 34 ist konfi guriert, um ein erstes und ein zweites Umschaltaustastungssignal V_GU und V_GL zu erzeugen, um die Schalter Q_U und Q_L derart zu steuern, daß der Strom durch die Wicklung während eines ersten Abschnitts des inaktiven Intervalls der Phase mit ei nem ersten vorbestimmten Profil übereinstimmt. Das Profil wird basierend auf den mechanischen und elektrischen Charakteristiken des Motors ausgewählt, um akusti sches Rauschen zu reduzieren. Beispielsweise beschreibt die Anmeldung mit der Seriennummer 08/690, 172, die jetzt erteilt ist, mit dem Titel "Method and Apparatus for Reducing Noise in a Variable Reluctance Motor", eingereicht am 26. Juli 1996, und die auch dem Anmelder der vorliegenden Erfindung gehört und hierdurch durch Bezugnahme enthalten ist, eine Technik zum Bestimmen einer geeigneten Dauer für eine natürliche Abklingstufe.

Die Rauschreduktionsschaltung 34 ist weiterhin konfiguriert, um zuzulassen, daß der Strom durch die Wicklung während eines zweiten Abschnitts der inaktiven Phase natürlich abklingt, die dem ersten Abschnitt der inaktiven Phase direkt folgt (dies ist am besten in den Fig. 6C und 7 dargestellt). In dieser Anmeldung bedeuten die Aus drücke "natürlich abklingen" und/oder "natürliches Abklingen" die Reduktion des restlichen Phasenstroms aufgrund einer Antriebskonfiguration, bei welcher (i) beide Schalter Q_U und Q_L "aus"-geschaltet sind, wenn die Phase inaktiv ist, so daß ein Reststrom einem Pfad durch die Wicklung 28 _i, die Diode D1, die Leistungsversor gung, die Erdleitung, die Diode D2 und zurück zur Wicklung 28 _i folgt; oder (ii) nur einer der Schalter Q_U oder Q_L "ein"-geschaltet oder aktiviert ist, während der andere der Schalter nicht aktiviert ist, wenn die Phase inaktiv ist, so daß der Reststrom je weils durch die Wicklung 28 _i , die Diode D1 und Q_U oder die Wicklung 28, Q_L und die Diode D2 zirkuliert. Darüber hinaus bedeuten die Ausdrücke "natürlich abklingen" und/oder "natürliches Abklingen", daß nur eine der oben identifizierten Konfiguratio nen für das interessierende Intervall ausgewählt wird. Wie es hierin nachfolgend im weiteren Detail beschrieben wird, kann ein Steuern des Reststroms über ein vorbe stimmtes Intervall, das ein Alternieren zwischen den zwei oben identifizierten Konfi gurationen enthält, zum Erhalten einer gewünschten Abkling- bzw. Abfallsteigung verwendet werden (z. B. des ersten vorbestimmten Stromprofils). Bei einem bevor zugten Ausführungsbeispiel bedeutet der Ausdruck "natürliches Abklingen" und/oder "natürliches Abklingen" eine Reduktion des Stroms von einer Konfiguration, wo die Schalter Q_U und Q_L beide deaktiviert oder "aus"-geschaltet sind.

Treiber 36 _U und 36 _L können optional in der Vorrichtung 29 enthalten sein, wenn sie zum Treiben der Schalter Q_U und Q_L erforderlich sind. Wenn sie enthalten sind, kön nen die Treiber 36 _U und 36 _L eine herkömmliche und wohlbekannte Schaltung auf weisen.

Eine Leistungsversorgung 38 ist vorgesehen, um eine vorbestimmte Spannung über der Phasenwicklung 28 _i einzuprägen, wenn die Schalter Q_U und Q_L eingeschaltet sind, und weiterhin um ihren Strom zuzuführen. Die Leistungsversorgung 38 kann eine herkömmliche und wohlbekannte Schaltung und/oder Vorrichtungen aufweisen, die Fachleuten auf dem Gebiet vertraut sind.

Fig. 4 stellt die in Fig. 3 gezeigte Rauschreduktionsschaltung 34 detaillierter dar. Die Schaltung 34 enthält ein erstes UND-Gatter 40, einen Oszillator 42, eine stabile Schaltung bzw. stabile Kippschaltung 44, ein zweites UND-Gatter 46 und ein erstes ODER-Gatter 48.

Das erste UND-Gatter 40 ist konfiguriert, um das erste Umschaltaustastungssignal V_GU in Antwort auf das erste und das zweite Umschaltbefehlssignal V_U und V_L zu erzeugen. Das Gatter 40 ist herkömmlich.

Der Oszillator 42 kann einen stabile Oszillator aufweisen, der aus einer herkömmli chen Schaltung und/oder Vorrichtungen, die Fachleuten auf dem Gebiet wohlbe kannt sind, aufgebaut sein. Der Oszillator 42 ist konfiguriert, um ein erstes periodi sches Signal V₂ mit einer Frequenz und einem Abtastzyklus zu erzeugen, wie es unten beschrieben ist. Der Oszillator 42 kann eine herkömmliche Schaltung aufwei sen.

Die stabile Schaltung 44 wird manchmal monostabiler Multivibrator genannt (d. h. ein stabiler Zustand, ein unstabiler Zustand). Die stabile Schaltung 44 ist konfiguriert, um ein Impulssignal V₁ in Antwort auf das zweite Umschaltbefehlssignal V_L zu erzeugen. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Dauer des durch die stabile Schaltung 44 erzeugten Impulses im wesentlichen gleich der Dauer des ersten Ab schnitts des inaktiven Intervalls der Phase (d. h. entsprechend den Intervallen B1 und B1', die in den Fig. 6C und 7 gezeigt sind). Die stabile Schaltung 44 ist herkömmlich.

Das UND-Gatter 46 ist konfiguriert, um ein zweites periodisches Signal V₃ entspre chend dem ersten periodischen Signal V₂ für die Dauer des Impulsteil-Impulssignals V₁ zu erzeugen. Das UND-Gatter 46 ist herkömmlich.

Die Fig. 5A-5G zeigen Spannungs-Wellenformen an verschiedenen Knoten in der Schaltung 34 der Fig. 4. Die Fig. 5C und 5D stellen beispielhaft Umschaltbefehls signale V_U und V_L dar, die durch die Steuerschaltung 32 gemäß einer vorbestimmten Betriebsstrategie erzeugt werden.

Die Fig. 5F zeigt die Ausgabe des Oszillators 42, der bei einem bevorzugten Ausfüh rungsbeispiel freilaufend sein kann (d. h. nicht durch ein anderes Signal getriggert, um seine Ausgabe freizugeben).

Die Fig. 5E zeigt die Ausgabe der stabilen Schaltung 44, die durch die Abfallflanke des Umschaltbefehlssignals V_L getriggert wird.

Die Fig. 5G zeigt die Ausgabe des UND-Gatters 46. Das Impulssignal V₁ ermöglicht in der Auswirkung, daß das Gatter 46 einen Abschnitt des periodischen Signals (das durch den Oszillator 42 erzeugt wird) an seinem anderen Eingang, nämlich V₂, zu seinem Ausgang durchläßt.

Die Fig. 5A und 5B zeigen das erste und das zweite Umschaltaustastungssignal V_GU und V_GL. Es ist zu beachten, daß die Schaltung der Fig. 4, wie es in Fig. 5B gezeigt ist, das schließliche Ausschalten des unteren Schalters Q_L effektiv abklingen läßt.

Nimmt man nun Bezug auf die Fig. 6A-6C bildet die Vorrichtung und das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung ein Abklingen des Reststroms mit zwei Abschnit ten (oder zwei Stufen), nachdem die Phase ausgeschaltet worden ist. Die Fig. 6A und 6B geben die in den Fig. 5A und 5B gezeigten Zeitdiagramme zum Zwecke ei ner Bezugnahme auf die Intervalle der Fig. 6C wieder. Nimmt man nun insbesondere Bezug auf die Fig. 6C, bezieht sich das mit A bezeichnete Intervall auf das aktive Intervall der Phase, wobei die Steuerschaltung 32 und die Rauschreduktionsschal tung 34 konfiguriert sind, um die Schalter Q_U und Q_L so zu steuern, daß ein Strom von der Leistungsversorgung 38 gezogen wird (wenigstens während Abschnitten davon). Das inaktive Intervall der Phase ist allgemein mit B bezeichnet und enthält einen ersten Abschnitt B1 und einen zweiten Abschnitt B2. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird der Phasenstrom I_P während des zweiten Abschnitts B2 einem Abklingen zu einem Wert von im wesentlichen Null unterzogen.

Die Fig. 7 zeigt den ersten Abschnitt B1 detaillierter. Der erste Abschnitt B1 weist bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel eine Vielzahl von Unterzyklen auf (die je weils ein erstes Segment SG1 und ein zweites Segment SG2 aufweisen). Jeder Unterzyklus wiederholt sich mit einer im wesentlichen konstanten Frequenz. Somit ist die Periode (T) jedes Unterzyklus die Addition der Dauern der Segmente SG1 und SG2. Die Rauschreduktionsschaltung 34 ist konfiguriert, um einen der Schalter Q_U und Q_L zu aktivieren und den anderen der Schalter Q_U und Q_L zu deaktivieren, und zwar während des ersten Segments SG1. Diese Konfiguration sorgt für einen zu rückzirkulierenden Pfad für den Reststrom, welcher durch Dissipation von Energie in den Komponenten des zurückzirkulierenden Pfads abklingt (z. B. die Wicklung 28 _i, D1, Q_U oder 28 _i, Q_L und D2). Die Rauschreduktionsschaltung 34 ist weiterhin konfi guriert, um beide der Schalter Q_U und Q_L während des zweiten Segments SG2 zu deaktivieren. Dies ist ein sogenannter Ansatz mit einem erzwungenen Abklingen in soweit der Reststrom durch die Wicklung 28 _i, D1, die Leistungsversorgung 38, die Erdleitung und die Diode D2 laufen muß, im Gegensatz zum Spannungspotential, das durch die Leistungsversorgung 38 erzeugt wird. Dies erklärt die viel steilere Ab klingsteigung für das Segment SG2. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Dauer des Unterzyklus (z. B. SG1 + SG2) durch den gesamten ersten Abschnitt B1 dieselbe (d. h. sie wiederholt sich). Der Abtastzyklus von V_GL, nämlich

ist ebenso während des gesamten ersten Abschnitts B1 vorzugsweise konstant. Da her ist auch der Abtastzyklus (wie er oben für V_GL definiert ist) des Stromsignals I_P für den ersten Abschnitt B1 konstant.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird bei einem Ausfüh rungsbeispiel die Dauer des ersten Abschnitts B1 für jede Motorphase verändert. Fig. 8 zeigt ein Phasenstromprofil für eine Motorphase, die sich von der Motorphase unterscheidet, deren Stromprofil in Fig. 6C gezeigt ist. Beispielsweise kann die Fig. 6C der Motorphase A entsprechen, während die Fig. 8 der Motorphase B entspre chen kann. In Fig. 8 ist das aktive Intervall der Phase mit A bezeichnet. Das inaktive Intervall der Phase ist mit B' bezeichnet. Das inaktive Intervall weist zwei Abschnitte auf: einen ersten Abschnitt B1' und einen zweiten Abschnitt B2'. Gemäß einem wei teren Aspekt der vorliegenden Erfindung kann die Dauer des ersten Abschnitts B1 bei einem Ausführungsbeispiel entsprechend dem gesteuerten Abklingen des Stroms durch eine erste Wicklung, beispielsweise die Phase A, anders als die Dauer des ersten Abschnitts B1 durch eine zweite Wicklung entsprechend einer anderen Motorphase, beispielsweise der Phase B, sein. Bevorzugter kann bei einem Ausfüh rungsbeispiel die Dauer des ersten Abschnitts B1 (und B1', B1", etc.) für jede der Motorphasen unterschiedlich sein, und am meisten bevorzugt kann eine solche Dauer (aber nicht notwendigerweise bei jedem Ausführungsbeispiel) zwischen auf einanderfolgenden Phasen größer werden (z. B. für einen Dreiphasenmotor, Phase A - Phase B - Phase C = T_A < T_B < T_C).

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird der Abtastzyklus (wie er oben definiert ist) des Signals V_GL entsprechend dem ersten Abschnitt B1 für jede Motorphase eines Mehrphasen-SRM verändert. Gemäß einem weiteren bevor zugten Ausführungsbeispiel kann der Abtastzyklus (aber nicht notwendigerweise) zwischen aufeinanderfolgend erregten Phasen kleiner werden (z. B. Phase A - Phase B - Phase C = DC_A < DC_B < DC_C). Die Werte für die Frequenz der Unterzyklen (z. B. der Periode, die aus SG1 und SG2 besteht), der Abtastzyklus (wie er oben beschrie ben ist) und die Dauer des ersten Abschnitts B1 können von Motorkonfiguration zu Motorkonfiguration variieren. Wie es oben angezeigt ist, können die genauen Werte von der elektrischen und mechanischen Konfiguration des Motors abhängen und können durch einen reiterativen Prozeß bestimmt werden (um zu bestimmen, welche Werte für eine verbesserte Rauschreduktion sorgen). Weiterhin sollte angenommen werden, daß unterschiedliche mechanische/elektrische Motorkonfigurationen andere Dauern/Abtastzyklen erfordern können, und zwar insbesondere auf einer Basis pro Phase, als es oben für ein Ausführungsbeispiel beschrieben ist, um ein akustisches Rauschen zu reduzieren (oder um ein akustisches Rauschen auf gewünschte oder erforderliche Pegel zu reduzieren). Jedoch werden dann, wenn sie einmal für eine bestimmte Motorantriebsanwendung eingerichtet sind, solche Werte für den Betrieb des Motorantriebs fest sein.

BEISPIEL

Für einen Motor mit geschalteter Reluktanz mit einer Topologie von drei Phasen, zwölf (12) Statorzähnen, vierzehn (14) Rotorpolen, der mit einer Nominalgeschwin digkeit von 2500 Umdrehungen pro Minute arbeitet und der eine nominale Ausgabe von 600 Watt hat, wurden die unten in Tabelle 1 aufgezeigten Parameter zum Mini mieren eines akustischen Rauschens gefunden.

Tabelle 1

Ein Verfahren zum Betreiben eines Motors mit geschalteter Reluktanz gemäß der vorliegenden Erfindung enthält drei Grundschritte. Der erste Schritt enthält ein Füh ren eines von einer Leistungsversorgung gezogenen Stroms durch die Phasenwick lung während eines aktiven Intervalls des Motors. Der zweite Schritt enthält ein Re duzieren des Stroms durch die Wicklung gemäß einem ersten vorbestimmten Profil während eines ersten Abschnitts eines inaktiven Intervalls der Phase, die dem akti ven Intervall direkt folgt. Schließlich enthält der letzte Schritt ein Abklingenlassen des Stroms, der in der Wicklung verbleibt, auf natürliche Weise während eines zweiten Abschnitts des inaktiven Intervalls, das dem ersten Abschnitt direkt folgt.

Zusammengefaßt betrifft die Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Steuern des Stroms in den Phasenspulen eines Motors mit geschalteter Reluktanz, um einen sanften Übergang des Stroms in der Phasenspule sicherzustellen, die ge rade ausgeschaltet worden ist. Ein Glätten des Übergangs des Stroms zwischen dem aktiven und dem inaktiven Intervall der Phase reduziert ein akustisches Rau schen, das durch Vibrationen und andere unerwünschte mechanische Manifestie rungen bzw. Betätigungen erzeugt wird, die aus abrupten elektrischen Stromüber gängen entstehen. Ein Vorteil dieses Ansatzes gegenüber herkömmlichen Ansätzen besteht darin, daß er ein zugeschnittenes Stromprofil (einen ersten Abschnitt eines Abklingens) zum Glätten der Abruptheit des Stromwechsels mit einem erzwungenen Abklingen zur schnelleren Entfernung des Stroms von der Spule kombiniert. Diese Kombination ist insbesondere dort wünschenswert, wo die gesamte Abklingzeit (d. h. das inaktive Intervall) beschränkt ist, aber nichts desto weniger eine effektive Rauschreduktion erwünscht ist.

Die vorangehende Beschreibung ist eher von beispielhafter als von beschränkender Natur. Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel dieser Erfindung ist offenbart worden, um einem Fachmann auf dem Gebiet zu ermöglichen, die Erfindung auszuführen. Variationen und Modifikationen sind ohne Abweichung vom Sinn und Schutzumfang dieser Erfindung möglich; der Schutzumfang von ihr ist lediglich durch die beigefüg ten Ansprüche beschränkt.

Claims

1. Vorrichtung zum Steuern eines Stroms durch eine Wicklung, die eine Maschi nenphase einer Maschine mit geschalteter Reluktanz (SRM) definiert, wobei die Phase aktive und inaktive Intervalle enthält, wobei die Vorrichtung folgendes aufweist:
eine Schalteinrichtung mit einem ersten und einem zweiten Schalter, zwi schen welchen die Wicklung angeschlossen ist,
eine Steuereinrichtung, die auf wenigstens ein Betriebscharakteristiksignal zum Erzeugen eines ersten Umschaltbefehlssignals und eines zweiten Um schaltbefehlssignals antwortet;
eine Einrichtung, die auf das erste und das zweite Umschaltbetriebssignal antwortet und die mit der Schalteinrichtung gekoppelt ist, zum Steuern des Stroms durch die Wicklung gemäß einem ersten vorbestimmten Profil während einem ersten Abschnitt des inaktiven Intervalls und zum Zulassen, daß der Strom während einem zweiten Abschnitt des inaktiven Intervalls, der dem er sten Abschnitt folgt, natürlich abklingt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der erste und der zweite Schalter Halblei tervorrichtungen aufweisen, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus Feld effekttransistoren (FET) und Bipolartransistoren mit isoliertem Gate (IGBT) besteht.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Betriebscharakteristik einen Winkel positionsparameter eines Rotorabschnitts der SRM relativ zu einem Statorab schnitt der SRM enthält und die Steuereinrichtung eine Mikrosteuerung enthält, die konfiguriert ist, um das erste und das zweite Umschaltbefehlssignal gemäß einer vorbestimmten Betriebsstrategie zu erzeugen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Strom während dem zweiten Abschnitt einem Abklingen auf im wesentlichen Null unterzogen wird.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Einrichtung zum Steuern des Stroms weiterhin konfiguriert ist, um die Schalteinrichtung derart zu steuern, daß wäh rend wenigstens einem Abschnitt des aktiven Intervalls Strom von einer Lei stungsversorgung gezogen wird.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der zweite Abschnitt dem ersten Abschnitt direkt folgt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei der erste Abschnitt eine Vielzahl von Un terzyklen aufweist, die sich mit einer im wesentlichen konstanten Frequenz wiederholen.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei jeder Unterzyklus ein erstes Segment und ein zweites Segment aufweist,
wobei die Einrichtung zum Steuern des Stroms konfiguriert ist, um während dem ersten Segment einen von dem ersten und dem zweiten Schalter zu akti vieren und den anderen von dem ersten und dem zweiten Schalter zu deakti vieren, und
wobei die Einrichtung zum Steuern des Stroms weiterhin konfiguriert ist, um während dem zweiten Segment den ersten und den zweiten Schalter zu deak tivieren.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei die Wicklung eine erste Wicklung ist und die Phase eine erste Phase ist, wobei die SRM eine zweite Wicklung aufweist, die eine zweite Phase definiert, wobei die Einrichtung zum Steuern des Stroms konfiguriert ist, um die Schalteinrichtung so zu steuern, daß der erste Abschnitt der ersten Phase eine erste Dauer hat und ein erster Abschnitt eines inaktiven Intervalls der zweiten Phase eine zweite Dauer hat,
wobei die erste Dauer unterschiedlich von der zweiten Dauer ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei das Verhältnis zwischen einer Dauer des ersten Segments zu einer ersten Summe der Dauern des ersten Segments und des zweiten Segments für die erste Phase einen ersten Abtastzyklus definiert,
wobei das Verhältnis zwischen einer Dauer des ersten Segments zu einer zweiten Summe der Dauern des ersten Segments und des zweiten Segments für die zweite Phase einen zweiten Abtastzyklus definiert,
wobei der erste Abtastzyklus unterschiedlich vom zweiten Abtastzyklus ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei die Einrichtung zum Steuern des Stroms folgendes enthält:
eine Rauschreduktionsschaltung, die konfiguriert ist, um ein erstes und ein zweites Umschaltaustastungssignal in Antwort auf das erste und das zweite Umschaltbefehlssignal zu erzeugen.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei die Rauschreduktionsschaltung folgen des enthält:
ein erstes UND-Gatter, das konfiguriert ist, um das erste Umschaltausta stungssignal in Antwort auf das erste und das zweite Umschaltbefehlssignal zu erzeugen;
einen Oszillator, der konfiguriert ist, um ein erstes periodisches Signal zu erzeugen;
eine stabile Schaltung, die konfiguriert ist, um ein Impulssignal in Antwort auf das zweite Umschaltbefehlssignal zu erzeugen, wobei das Impulssignal ei ne Dauer hat, die im wesentlichen gleich einer Dauer des ersten Abschnitts des inaktiven Intervalls ist;
ein zweites UND-Gatter, das konfiguriert ist, um ein zweites periodisches Signal entsprechend dem ersten periodischen Signal für die Dauer des Impuls signals zu erzeugen; und
ein erstes ODER-Gatter, das konfiguriert ist, um das zweite Umschaltaus tastungssignal in Antwort auf das zweite periodische Signal und das zweite Umschaltbefehlssignal zu erzeugen.

13. Vorrichtung zum Steuern eines Stroms durch eine Wicklung, die eine Maschi nenphase einer Maschine mit geschalteter Reluktanz (SRM) definiert, wobei die Phase aktive und inaktive Intervalle enthält, wobei die Vorrichtung folgendes aufweist:
einen ersten Schalter und einen zweiten Schalter, zwischen welchen die Wicklung angeschlossen ist;
eine Steuerschaltung, die konfiguriert ist, um ein erstes Umschaltbefehls signal und ein zweites Umschaltbefehlssignal in Antwort auf wenigstens eine SRM-Betriebscharakteristik zu erzeugen;
eine Rauschreduktionsschaltung, die konfiguriert ist, um ein erstes Um schaltaustastungssignal und ein zweites Umschaltaustastungssignal in Antwort auf das erste und das zweite Umschaltbefehlssignal zu erzeugen, wobei das erste und das zweite Umschaltaustastungssignal an den ersten und den zwei ten Schalter angelegt werden, zum Steuern des Stroms durch die Wicklung gemäß einem ersten vorbestimmten Profil während einem ersten Abschnitt des inaktiven Intervalls und zum Zulassen, daß der Strom während einem zweiten Abschnitt des inaktiven Intervalls, der dem ersten Abschnitt folgt, natürlich ab klingt.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, wobei der erste Abschnitt eine Vielzahl von Unterzyklen aufweist, die sich mit einer im wesentlichen konstanten Frequenz wiederholen, wobei jeder Unterzyklus ein erstes Segment und ein zweites Segment aufweist,
wobei die Rauschreduktionsschaltung konfiguriert ist, um während dem er sten Segment einen von dem ersten und dem zweiten Schalter zu aktivieren und den anderen von dem ersten und dem zweiten Schalter zu deaktivieren, und
wobei die Rauschreduktionsschaltung weiterhin konfiguriert ist, um wäh rend dem zweiten Segment den ersten und den zweiten Schalter zu deaktivie ren.

15. Verfahren zum Betreiben eines Motors mit geschalteter Reluktanz (SRM), der eine Wicklung enthält, die eine Motorphase mit aktiven und inaktiven Intervallen definiert, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:

A) Führen eines von einer Leistungsversorgung gezogenen Stroms durch die Wicklung während dem aktiven Intervall;
B) Reduzieren des Stroms durch die Wicklung gemäß einem ersten vor bestimmten Profil während einem ersten Abschnitt des inaktiven Intervalls, das dem aktiven Intervall direkt folgt; und
C) Abklingenlassen des Stroms durch die Wicklung auf natürliche Weise während einem zweiten Abschnitt des inaktiven Intervalls der Phase, der dem ersten Abschnitt direkt folgt.