DE3021864A1

DE3021864A1 - Steuerschaltung fuer buerstenlose elektromotore

Info

Publication number: DE3021864A1
Application number: DE19803021864
Authority: DE
Inventors: Akio Hirata; Teruo Nakano
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1979-07-03
Filing date: 1980-06-11
Publication date: 1981-01-08
Also published as: JPS5610094A; DE3021864C2; US4496893A; JPS6249836B2

Description

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PATENTANWÄLTE F.W. HEMMERLCH - GERD MÖLLER - D. GROSSE - F. POLLMEtER _ ßS

9. Juni 198o - m.ni 73 32t

Tokyo Shibaura Denk! Rabushiki Kaisha, 72 Horikawa-cho, Saiwai-Ku, Kawasaki-shi, Kanagawa-ken, Japan

Steuerschaltung für bürstenlose Elektrömotore

Gegenstand dieser Erfindung ist eine Steuerschaltung für bürstenlose Synchronmotore, bei der von mehreren Konverterschaltungen aus, die phasengesteuert sein können, dem Synchronmotor ein treppenförmiger Ström mit schwachem Oberwellenanteil aufgeschaltet wird.

Für die Stromversorgung von Synchronmotoren wurden bisher zwei typische Steuerschaltungen verwendet. Bei der einen wird dem Synchronmotor ein Strom, der annähernd sinusförmig ist und von einem Sinuswellen^Zyklokonverter erzeugt wird, aufgeschaltet, und zwar derart, daß der Motor mit nur kleinen Drehmomentschwankungen (torque ripple) arbeiten kann. Dieses System wird bei solchen Motoren angewandt, die eine relativ große Leistung haben.

Bei der zweiten Steuerschaltung wird ein Stromimpuls mit REchteckform, der von einer Inverterschaltung oder von einem Zyklokonverter erzeugt wird, dem Synchronmotor zugeführt. Dabei kann, der Motor über einen großen Frequenzbereich geregelt werden. Diese zweite Steuerung findet dann Anwendung, wenn die Motoren mit relativ niedriger Leistung betrieben werden.

Die zuerste genannte Steuerschaltung weist den Vorteil auf, daß es ein gleichmäßiges, ruhiges und von Drehmomentschwankungen freies Arbeiten ermöglicht, weil der Stromimpuls nahezu die Form einer Sinuswelle hat. Demgegenüber ist aber der Frequenzbereich eng und schal, was wiederum die Ursache dafür ist, daß der Motor nur mit Schwierigkeiten mit der halben Netz-

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frequenz oder mit einer noch geringen Frequenz betrieben werden kann»

Andererseits besteht der Vorteil der zweiten Steuerschaltung darin, daß der Motor über einen größeren Frequenzbereich betrieben werden kann, Bei dieser Steuerschaltung werden aber auch die Anteile der höheren Oberwellen größer, denn bei dem Stromimpuls handelt es sich ja um eine Rechteckwelle. Das hat wiederum zur Folge, daß wegen der Drehmoments chwankungen im Motor ein glattes und weiches Arbeiten des -Motors in niedrigen Drehzahlbereichen nur sehr schwer zu verwirklichen ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für bürstenlose Elektromotore eine neue und verbesserte Steuerschaltung zu schaffen, bei der die Drehmomentschwankungen verringert sind und die in der Lage ist, über einen großen Frequenzbereich einwandfrei zu arbeiten.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Konverter phasengesteuert werden können, daß eine Vorrichtung zur Detektion der Drehwinkellage des Synchronmotors und ein Generator zur Erzeugung einer Reihe von Impulssignalen vorgesehen sind, die dadurch abgeleitet werden, daß die Ausgangsphasen verschöben werden, wobei ein jedes Impulssignal einem vorbestimmten Konverter entspricht. Mit den Impulssignalen werden somit die verschiedenen Konverter angesteuert. -

Gegenstand dieser Erfindung ist somit ein Synchronmotor, der von mehreren Inverterschaltungen gesteuert wird. Diese Inverterschaltungen werden ihrerseits wiederum von Signalen gesteuert, die von einer mit der Welle des Motors verbundenen Meßfühlerschaltung erzeugt aufgeschaltet werden, und zwar derart, daß am Ausgang der Inverterschaltungen Stromsignale abgenommen werden können, die um einen bestimmten Phasenwinkel gegeneinander verschoben sind.

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Die Erfindung wird nachstehend nun anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 ein Schaltbild'der Steuerschaltvorrichtung für einen bürstenlosen Elektromotor,

Fig. 2 und 3 Signal-Zeit-Diagramme zur Erläuterung der Funktion und der Arbeitsweise der in Fig. 1 dargestellten Schaltvorrichtung, und

Fig. 4 ein Schaltbild betreffend eine geänderte Ausführung der in Fig. 1 dargestellten Schaltung der Erfindung.

In der Zeichnung sind gleiche oder ähnliche Teile in allen Ansichten auch mit den gleichen allgemeinen Hinweiszahlen gekennzeichnet. Zu dem in Fig. 1 dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiel eines Steuerungs- und Regelungssystems für bürstenlose Elektromotore gehören die drei Konverterschaltungen, die an das Netz 1 angeschlossen sind. Zu ihnen gehören die Gleichrichterschaltungen 2A, 2B und 2C, die Glättungsdrosseln 3A, 3B und 3C sowie die Inverterschaltungen 4A, 4B und 4C.

In jeder Konverterschaltung wird der aus dem Netz 1 zugeführte Wechselstrom zunächst einmal in der Gleichrichterschaltung 2 gleichgerichtet und dann in der Glättungsdrossel 3 geglättet. Der geglättete Gleichstrom, d. h. der keine Welligkeit mehr aufweisende Gleichstrom, wird der Inverterschaltung dann aufgeschaltet, d. h. der Inverterschaltung 4. Eine jede Inverterschaltung erzeugt Drehstromimpulse mit jeweils einem Winkel von 120 , die dann dem Synchronmotor 6 jeweils über die Trenntransformatoren 5A, 5B und 6B zugeführt werden.

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Eine mit, der Welle des Synchronmotors 6 gekoppelte Positionsmelderschaltung 7 mißt und erfaßt die jeweils zutreffende Winkellage des zum Synchronmotor 6 gehörenden Rotors. In diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, daß man zum Messen und Erfassen der jeweils zutreffenden Winkellage mehrere und verschiedenartige Methoden anwenden kann. Die bekanntesten Systeme sind dabei die Hall-Meßfühler, die elektrooptischen Systeme der Meßfühler und die niederfrequenten (RF) Meßfühlersysteme.

Einem Drehzahl-Signalverstärker 10, der ein Strom-Bezugssignal erzeugt, wird von einem Drehzahlregelungssystem 8 aus ein Drehzahl-Bezugssignal aufgeschaltet, desgleichen aber auch noch von der Positionsmeßfühlerschaltung 7 aus ein negatives Rückkopplungssignal oder negatives Rückführungssignal. Das Ausgangssignal des Drehzahlsignalverstärkers 10 wird auf den Stromsignalverstärker 11 geführt. Gleichzeitig werden dem Stromsignalverstärker 11 auch die Eingangsströme einer jeden der Gleichrichterschaltungen 2A, 2B und 2C, so wie diese von den jeweils zuständigen Stromwandlern 12A, 12B und 12C gemessen und erfaßt worden sind, über eine Strommeßschaltung 13 derart aufgeschaltet, daß ein negatives Rückkopplungssignal oder negatives Rückführungssignal erzeugt wird.

Das Ausgangssignal des Stromsignalverstärkers 11 wird einer Phasenregelungsschaltung 14 aufgeschaltet, die ihrerseits wiederum die Steuerimpulse erzeugt, welche den«·jeweils zutreffenden Steuerungsanschlüssen der Gleichrichterschaltungen 2A, 2B und 2C aufgeschaltet werden. Das aber bedeutet, daß es möglich ist, das Drehmoment des Synchronmotores 6 dadurch zu verändern, daß der Einschaltwinkel der steuerbaren Halbleiterschaltelemente gesteuert und geregelt wird, bspw. mehrerer Thyristoren, welche zu den Gleichrichterschaltungen 2A, 2B und 2C gehören.

Die Frequenz des Synchronmotores 6 wird durch Steuerung und Regelung des Einschaltwinkels der steuerbaren und regelbaren

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Halbleiterschaltelemente verändert und zwar in Übereinstimmung mit dem Ausgangssignal der Positionsmeldeschaltung 7 über die jeweils zutreffenden Impulsverstärker 15A₁. 15B und 15C. Bspw. mehrere Thyristoren, die zu den Inverterschaltungen 4A, 4B und 4C gehören.

Gemäß der Erfindung wird ein jedes Ausgangssignal der Positionsmeßfühlerschaltung 7 in der mit Fig. 2 dargestellten Weise über einen Winkel gegenüber den anderen Signalen verschoben.

In Fig. 2A, 2B und 2C sind dargestellt die Ausgangssignale der Positionsmeßfühlerschaltung 7 nach Fig. 1. Bei den Stromsignalen AA, BB und CC handelt es sich um solche Stromsignale die über einen Winkel θ gegeneinander verschoben sind. Und dies sind die jeweiligen Ausgangsströme der U-Phase der Inverter^chaltungen 4A, 4B und 4C. Diese Ausgangssignale werden zu einem treppenförmigen Eingangssignal IU für die U-Phase des Synchronmotor zusammengefaßt, wie dies mit Fig. 2 dargestellt

'tiird nun dem Synchronmotor 6 der aus den Aus gangs strömen AA, BB und CC der Inverterschaltungen 4A, 4B und 4C im Ansprechen auf das Ausgangssignal der Positionsmelder-Meßfühlerschaltung 7 synchronisierte Strom aufgeschaltet, dann nimmt der Eingangsstrom des Synchronmotors 6 nahezu Sinusform an. Auf diese Weise können einmal die Anteile an den höheren Oberweilen in der Wellenform des Stromimpulses verringert werden und zum anderen auch die Drehmomentschwankungen (torque ripple) des Synchronmotores 6.

Es ist weiterhin auch möglich, daß Resonanzen, insbesondere mechanische Resonanzen, zwischen' dem Synchronmotor 6 und seiner Halterung verhindert wird. Diese mechanische Resonanz besitzt durch die hohe Frequenz der Drehstromschwankung (torque ripples) eins charakteristische Eigenfrequenz.

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Wenn die Erfindung auch anhand einer Dreistufen-Konverterschaltung, zu der drei Inverterschaltungen gehören, beschrieben worden ist, so kann auf Wunsch auch eine Zweistufen-Konverterschaltung, eine Vierstufen-Konverterschaltung oder eine noch höherstufige Konverterschaltung dadurch eingesetzt werden, daß man eine andere Positionsmelder-Meßfühlerschaltung 7 wählt.

Wenn es auch von der Konzeption her einfach ist, eine Positionsmelder-Meßfühlerschaltung zu verwenden, die im Ansprechen auf die jeweils zutreffende Drehwinkelposition des Synchronmotores die Signale UPA bis WNA, UPB bis WNB und UPC bis WNC erzeugt, so sind in Praxi jedoch viele Signal- und Stromleitungen erforderlich, so daß dann der jeweils zutreffende Aufbau und die jeweils zutreffende Konstruktion der Positionsmeldeschaltung sehr kompliziert werden würde.

Aus diesem Grunde soll nachstehend eine praktikablere Art der Positionsmelder-Meßfühlerschaltung anhand von Pig. 3 erläutert und beschrieben werden. Die Positionsmelder.Meßfühlerschaltung der zuvor genannten Art erzeugt die vier Signale X, Y, Z und D. Die Signale X, Y, Z und D entsprechen jeweils , einer bestimmten Drehwinkelposition des Rotors des Synchronmotors. Das Positionssignal D hat eine höhere Frequenz als die Signale X, Y und Z. Dadurch daß die Positionsmelder-Meßschaltung vier Signale erzeugt und weiterleitet, ist es möglich, daß man Einschaltsignale für sechs Phasen-erhält. Durch logische Berechnung kann man bspw. die nachstehend angeführten Einschaltsignale erhalten.

UP	= Y	- Y
VP	= Z	• ζ
WP	*— V**	• X
UN	= Y	• Y
VN	= Z	• Z
WN	• X.

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Durch Verschiebung der sechsphasigen Signale UP bis WN über einen bestimmten Winkel θ kann man auch die Signale UPB bis WNB erhalten, und bei Verwendung des eine hohe Frequenz aufweisenden Positionssignales D erhält man durch Verschiebung der Signale UPB bis WNB über einen bestimmten Winkel θ die Signale UPC bis WNC. Die Signale UPB und UPC sind in Fig. 3 dargestellt.

Wenn die Periode des hochfrequenten Positionssignales, des eine hohe Frequenz aufweisenden Positionssignales D - dieses in Fig. 3 dargestellt - gleich dem Winkel θ ist, wenn eine höhere Frequenz erzeugt wird, so kann doch auch zwecks Erzeugung eines feinen Treppenimpulses auch ein Mehrstufenkonverter eingesetzt werden.

Bei Verwendung einer zweistufigen Konverterschaltung oder einer dreistufigen Konverterschaltung kann ein Einschaltsignal für jeden Steuerungsanschluß der Konverterschaltung dadurch erzeugt werden, daß das eine hohe- Frequenz aufweisende Positionssignal D auf eine niedrigere Frequenz gebracht wird.

Fig. 4 zeigt nun eine andere Positionsmelder-Meßfühlerschaltung 20. Die elektrische Positionsmelder-Meßfühlerschaltung 20 ist mit den Anschlußklemmen des Synchronmotors 6 derart verbunden, daß sie den Phasenwinkel der induzierten elektromotorischen Kraft (EMK) messen und erfassen kann. Auf der Rotorwelle des Synchronmotores 6.sitzt ein Tachometer 6, dessen Signale der Digital/Analogschaltung 9 zugeführt werden.

Damit kann -das gleiche Positionssignal erzeugt werden, das auch von der zuvor beschriebenen mechanischen Positionsmelder-Meßfühlerschaltung 7 unter Verwendung des Phasenwinkels der induzierten elektromotorischen Kraft (EMK) erzeugt wird. Entsprechend ^werden die AusgangsSignaIe der Positionsmeldeschaltung 20 auch den jeweils zutreffenden Impulsverstärkern 15A, 15B und 15C zugeführt.

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Durch die Phasenverschiebung des Ausgangsstromes einer Vielzahl von Inverterschaltungen über einen bestimmten Phasenwinkel bezogen auf das Signal der Positionsmelder-Meßfühlerschaltung kann dem Synchronmotor ein treppenförmiger Stromimpuls aufgeschaltet werden, der annähernd Sinus form hat, was wiederum zur Folge hat, daß der Synchronmotor über einen großen Frequenzbereich laufruhig und ohne Drehmoments chwankungen (Ripple Torque) betrieben werden kann.

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Claims

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Patentansprüche

. /Steuerschaltung für bürstenlosen Elektromotor, mit einer Reihe von Konverter-Schaltungen, die mit einem Synchronmotor verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Konverter phasengesteuert werden können, daß eine Vorrichtung zur Detektion der Drehwinkellage des Synchronmotors und ein Generator zur Erzeugung einer Reihe von Impulssignalen vorgesehen sind, die dadurch abgeleitet sind, daß die Ausgangssignale der Detektionsschaltung zum Ansteuern der Konverter-Schaltungen phasenverschoben werden, wobei ein jedes Impulssignal einer bestimmten Konverter-Schaltung entspricht.

2. Steuerschaltung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß jeder Konverter-Schaltung eine Inverter-Schaltung zugeordnet ist.

3. Steuerschaltung nach den Ansprüchen 1 und 2, gekennzeichnet durch eine Vielzahl von Trenntransformatoren, wobei jeder dieser Trenntransformatoren schaltungsmäßig zwischen dem Synchronmotor und den Konverter-Schaltungen angeordnet ist.

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4. Steuerschaltung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch -gekennzeichnet, daß die den Drehwinkel detektierende Vorrichtung mit dem Rotor des Synchronmotors -gedoppelt ist.

5. Steuerschaltung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die -den -Drehwinkel detektierende Vorrichtung mit dem elektrischen Eingang des Synchronmotors verbunden ist.

6. Steuerschaltung und Regelungssystem für bürstenlose Elektromotore, mit einem Synchronmotor und einer Vielzahl von Konverter-Schaltungen, die mit dem Synchronmotor verbunden sind und die phasengesteuert werden können, dadurch gekennzeichnet, daß ein Generator zur Erzeugung einer Vielzahl von Signalimpulsen vorgesehen ist, die von dem jeweiligen Drehwinkel des Synchronmotors abgeleitet sind, wobei ein jeder dieser Impulssignale für eine bestimmte Konverter-Schaltung bestimmt ist, so daß jede der Konverter-Schaltungen von den Impulssignalen derart gesteuert wird, daß sie den Synchronmotor antreibt.

7. Steuerschaltung nach Anspruch '6,
gekenn.zeichnet, durch eine Vielzahl von Trenntransformatoren, die schaltungsmäßig zwischen dem Synchronmotor und einer jeden Konverter-Schaltung angeordnet ist.

8. Steuerschaltung nach den Ansprüchen 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulsgeneratorschaltung einen Meßfühler aufweist,, der die jeweils zutreffende Drehwinkellage des Synchronmotors detektiert.

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9. Steuerschaltung nach Anspruch 6,

dadurch gekennzeichnet, daß dem Impulsgenerator eine Vorrichtung zugeordnet ist, die die Phasenlage der vom Synchronmotor an seinem Eingang auftretende elektromotorische Kraft detektiert.

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