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Steuereinrichtung für die Zündimpulse von
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Stromrichterventilen Die Erfindung betrifft eine Steuereinrichtung
für die Zündimpulse von Stromrichterventilen eines Leistungsumrichters, mit einem
Mikrocomputer zur Berechnung der Zeitspannen zwischen den Zündimpulsen zum Zünden
und Löschen der Stromrichterventile des Leistungsumrichters, mit dem ein Drehfeldmotor
gespeist ist, wobei mit einem Zähler die Impulse eines Taktgebers gezählt werden
und mit einer Halte- und Speicherstufe der Zählerstand in den Mikrocomputer eingelesen
wird, wobei der Mikrocomputer die berechneten Zeitabstände zwischen den Zündimpulsen
in eine Anzahl von Taktimpulsen umwandelt und diese Zahl dem Zähler als Setzwert
vorgibt und wobei der Zähler ein erstes Unterbrechungssignal an den Mikrocomputer
abgibt, wenn der Zählerstand den Setzwert erreicht hat.
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Bei häufig verwendeten Steuersystemen für die Geschwindigkeitssteuerung
von Drehfeldmotoren geht der Trend zur Beherrschung höherer Geschwindigkeiten. Im
Handel erhältlich ist eine Vektorsteuerung der eingangs genannten Art für einen
Induktionsmotor, dem die Leistung über einen Leistungsumrichter, beispielsweise
einen Wechselrichter, zugeführt ist. Dabei wird die Ausgangsfrequenz (Wechselrichterfrequenz),
die dem Motor vom Wechselrichter vorgegeben ist und der Phasenwinkel des Stromvektors
der vom magnetischen Flußvektor (magnetische Flußachse) des Motors vorgegeben ist,
als Sollwerte für die Steuerung der Motorgeschwindigkeit vorgegeben, um die Zeitspannen
zu berechnen und zu steuern, die zwischen den
Zündimpulsen der Thyristoren
im Wechselrichter liegen.
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Dabei steuert der Mikrocomputer nicht nur die zeitliche Folge der
Zündimpulse, sondern muß die Rechenoperation immer wieder wiederholen.
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Nachteilig ist bei diesem System, daß es einen Mikroprozessor erfordert,
dessen Rechengeschwindigkeit sehr groß ist. Damit verbleibt ein ungenügender Spielraum
für die Benutzung des Computers für andere Rechenoperationen, da die Rechnungen
durch schnelle Wiederholung der Zündungen entsprechend der Wechselrichterfrequenz,
die als Sollwert gegeben ist, laufend ausgeführt werden müssen.
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Das gleiche giit für den Stromvektorphasenwinkel / , der im folgenden
Stromphasenwinkel genannt wird.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Steuerungssystem für
die Zündimpulse zu finden, mit dem Zündimpulse bereitgestellt sind, die die gewünschte
Phase entsprechend den vorgegebenen Soll- bzw. Führungswerten besitzen, ohne einen
Mikrocomputer einzusetzen, der Wiederholungs-Rechenoperationen bei hoher Geschwindigkeit
durchführen muß.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß ein zweites
Unterbrechungssignal mit einer vorgegebenen Periode erzeugt wird, die kleiner ist
als die Zeitspanne zwischen zwei aufeinanderfolgenden ersten Unterbrechungssignalen,
daß das zweite Unterbrechungssignal ebenfalls dem Mikrocomputer zugeführt wird,
daß der Mikrocomputer bei Anstehen eines zweiten Unterbrechungssignales Führungswerte
und über das Halte- und Speicherglied den Zählerstand gleichzeitig einliest und
daß der Mikrocomputer einen neuen Setzwert für den Zähler berechnet und diesem vorgibt,
wenn die vom Mikrocomputer eingelesenen Werte unterschiedlich von den früher eingelesenen
Werten sind.
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Im folgenden wird anhand der Figuren 1 bis 4b ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung beschrieben.
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Figur 1 ist ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels der Erfindung;
Figur la zeigt den Zählerstand und Unterbrechungssignale in Abhängigkeit von der
Zeit; Figur 2 zeigt den Wechselrichter des Umrichters 1 der Figur 1; Figur 2a zeigt
die über der Zeit aufgetragenen Zündimpulse für die Zündelektroden jedes Thyristors
in Figur 2; Figur 3 ist das Schema, nach dem Zündimpulse den Thyristoren in Figur
2 zugeführt werden; Figur 4a zeigt ein Flußdiagramm für das Verfahren, das mit jedem
regulären, periodischen Unterbrechungssignal ausgelöst wird; Figur 4b zeigt ein
Flußdiagramm des Verfahrens, das mit einem vom Zähler abgegebenen Unterbrechungssignal
gestartet wird.
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Figur 1 zeigt ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels der Erfindung.
Über den Wechselrichter eines Leistungsumrichters 1 wird ein Asynchronmotor 2 gespeist.
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Die Stromrichterventile des Leistungsumrichters werden über einen
Impulsverstärker 4 angesteuert, dessen Eingang mit einem Ausgabeausgang eines Mikrocomputers
3 verbunden ist. Eingabeeingängen des Mikroprozessors 3 sind für die Geschwindigkeitssteuerung
des Motors die Sollwerte bzw. Führungsgrößen » für den Stromphasenwinkel und die
Wechselrichterfrequenz fl zugeführt.
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Diese Sollwerte werden in einer nicht dargestellten Steuereinheit
aus den Istwerten der Rotationsgeschwindigkeit des Motors 2 und des Motorstroms
und dem Sollwert für die Rotationsgeschwindigkeit gewonnen. Ein
weiterer
Eingabeeingang des Mikrocomputers 3 ist über ein Halte- und Speicherglied 5 mit
einem Ausgang eines Zählers 6 verbunden, dessen Zähleingang die Taktimpulse I eines
nicht dargestellten Taktimpulsgebers zugeführt sind. Der Setzeingang des Zählers
6 ist mit einem Ausgabeeingang des Mikrocomputers 3 und ein weiterer Ausgang des
Zählers 6 ist mit einem Eingabeeingang des Mikrocomputers 3 verbunden. An diesem
Ausgang steht ein Unterbrechungsimpuls D an, wenn der Zählstand des Zählers 6 dem
Setzwert entspricht, d.h., wenn der Zähler 6 bis zum Wert Null zurückgezählt hat.
Mit einem Impuls G des Mikrocomputers 3, der dem Halte- und Speicherglied-5 zugeführt
ist, wird das Halte- und Speicherglied 5 und der Zähler 6 verriegelt und der Momentanwert
n des Zählers 6 in den Mikrocomputer 3 eingelesen.
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In Figur la sind der Zählerstand n des Zählers 3 und erste Unterbrechungssignale
D und zweite, periodische Unterbrechungssignale C über der Zeit t aufgetragen.
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Figur 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Wechselrichterschaltung
im Leistungsumrichter 1. Die Thyristoren ThR, ThS, ThT, ThX, ThY und ThZ und die
Dioden DR, DS, DT, DX, DY und DZ bilden zusammen mit dem Kommutierungskondensatoren
C1 - C6 eine dreiphasige Brückenschaltung mit Phasenfolgelöschung, der über die
Drossel D Strom eingeprägt wird.
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In Figur 2a sind die Zündimpulse für die Thyristoren in Figur 2 gezeigt.
Die Thyristoren werden mit einer Phasendifferenz von 600 el. jeweils für 1200 el.
gezündet.
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Anhand der Figuren 1 und la wird die Wirkungsweise der Schaltung beschrieben.
Dem Leistungsumrichter 1 werden vom Mikrocomputer 3 über den Impulsverstärker 4
sechs Zündimpulse pro Periode T der Wechselrichterfrequenz fl
zugeführt.
Falls der Sollwert der Wechselrichterfrequenz f19 der am Mikrocomputer ansteht,
konstant bleibt und falls der Sollwert für den Stromphasenwinkel/3 gegen den magnetischen
Fluß nicht verändert 7 so besitzen diese Zündimpulse eine konstante Phasendifferenz
von 600 el Unter der Annahme9 daß die Periode der Taktimpulse gleich tc ist9 ist
der Setzwert Ni für den Zähler 6 mit dem der Zündzeitpunkt jeder Phasenverschiebung
von 600 el bezogen auf die Wechselrichterfrequenz fl festgelegt ist, gegeben durch:
Die Zeit 9 die der Zähler 6 benötigt, um Ni-Taktimpulse auszuzählen, ist mit anderen
Worten eine Zeitspanne, die dem Winkel von 600 el. äquivalent ist. Ändert sich der
Sollwert 4 um den Betrag n ß , so kann aus der Anzahl der Taktimpulse die äquivalent
zu d ß ist ein neuer Setzwert für den Zähler 6 dadurch abgeleitet werden, daß man
diese Anzahl zu dem vorherigen Setzwert addiert, den man mit der Gleichung (1) erhält.
Die Anzahl der Taktimpulse, die äquivalent zu / sind, ist mit folgender Gleichung
gegeben:
In dieser Gleichung ist K360 eine Konstante, die den Wert des Sollwerts repräsentiert,
der äquivalent zu 0 360 el. ist.
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Falls also die Sollwerte der Wechselrichterfrequenz fl und des Stromphasenwinkels
gegeben sind, ist dementsprechend der Setzwert N, der vom Zähler 6 bis zur
Auslösung
des nächsten Zündimpulses zu zählen ist, mit der folgenden Gleichung gegeben:
Mit diesem Wert setzt daher der Mikrocomputer 3 den Zähler 6. Nimmt man an, daß
der Zähler 6 den Setzwert N im Zeitpunkt tn - 1 der Figur la zurückgezählt hat,
so steht am Eingang des Mikrocomputers 3 das Unterbrechungssignal D an und der Mikrocomputer
3 erzeugt einen Zündimpuls. Gleichzeitig liest der Mikrocomputer 3 die Wechselrichterfreuqenz
fl und den Stromphasenwinkel / in diesem Zeitpunkt ein. Der Mikrocomputer 3 berechnet
nun den veränderten Anteil »/ im Vergleich zum Stromphasenwinkel in dem Zeitpunkt,
in dem das vorhergehende Unterbrechungssignal D erzeugt worden war und einen neuen
Setzwert N entsprechend der Gleichung (3) und setzt mit diesem Wert N den Zähler
6 und startet den Zählvorgang wieder.
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Anschließend wird mit einem regulären, periodischen Unterbrechungssignal
C im Zeitpunkt t, n vom Mikrocomputer 3 ein Verriegelungssignal G erzeugt, das den
Momentanwert Mn des Zählers 6 festhält und in den Mikrocomputer einliest. Außerdem
liest der Mikrocomputer 3 in diesem Zeitpunkt wiederum die Sollwerte der Wechselrichterfrequenz
fl und den Sollwert des Stromphasenwinkels / und berechnet den Setzwert N nach Gleichung
(3) erneut.
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Stellt der Mikrocomputer eine Differenz¢N Nn zwischen dem momentanen
und dem vorhergehenden Setzwert N fest, so wird diese Differenz zu dem Momentanwert
Mn des Zählers 6 addiert (Mn + Nun), im Zähler 6 als neuer Setzwert eingegeben und
der Zählvorgang erneut gestartet.
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Der gleiche Vorgang wiederholt sich im Zeitpunkt tn + 1
Im
Zeitpunkt n + 2 hat der Zähler 6 auf den Wert Null zurückgezählt und führt dem Mikrocomputer
3 wieder ein Unterbrechungssignal D zu. Damit bestimmt der Mikrocomputer 3 den Zündzeitpunkt
des nächsten Zündimpulses in Bezug auf den vorangegangenen und unter Berücksichtigung
der Polarität der Wechselrichterfrequenz fl.
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Die Figur 3 zeigt das Schema, nach dem die Zündimpulse den Thyristoren
des Leistungsumrichters 1 zugeführt werden, wobei die Zeilen 0 bis 5 jeweils eine
Phasenverschiebung von 600 el. beinhalten und die Zahl 1 eine Zündung anzeigt und
die Zahl 0 anzeigt, daß das entsprechende Stromrichterventil gelöscht ist, bzw.
keinen Strom führt. Es wird angenommen, daß im Zeitpunkt tn - 1 Zündimpulse entsprechend
Zeile 2 den Thyristoren ThS und ThX zugeführt werden. Im Zeitpunkt tn + 2 werden
dann in Abhängigkeit von der Polarität der Wechselrichterfrequenz Zündimpulse den
Thyristoren entsprechend Zeile 1 oder Zeile 3 zugeführt, wobei im Ausführungsbeispiel
für eine positive Wechselrichterfrequenz fl Zündimpulse entsprechend dem Schema
der Zeile 3 erzeugt werden. Mit andereren Worten folgt beim Ausführungsbeispiel
bei positiver Wechselrichterfrequenz fl der Zeile 5 die Zeile 0 des Schemas nach
Figur 3 und bei negativer Wechselrichterfrequenz fl folgen Zündimpulsen entsprechend
Zeile 0 Zündimpulse, die der Zeile 5 entsprechen. Damit wird in Abhängigkeit von
der Polarität der Wechselrichterfrequenz die Drehrichtung des Motors festgelegt.
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Flußdiagramme für diese Verfahren sind in Figur 4a und 4b gezeigt.
Figur 4a zeigt ein Flußdiagramm des Verfahrens, das mit einem regulären periodischen
Unterbrechungssignal C ausgelöst wird. Das Flußdiagrmam nach Figur 4b illustriert
das Verfahren, das mit einem Unterbrechungssignal D des Zählers 6 gestartet wird.
Dabei ist dem Verfahren, das durch ein Unterbrechungssignal D
ausgelöst
wird, Priorität gegenüber dem mit dem regu lären, periodischen Unterbrechungssignal
C ausgelösten gegeben.
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Bei der beschriebenen Steuereinrichtung hat der Mikrocomputer keine
Wiederholungsoperationen mit hoher Geschindigkeit zur zeitlichen Festlegung der
Zündimulse auszuführen. Der Mikrocomputer kann daher neben den in den Figuren 4a
und 4b gezeigten Verfahren auch andere Rechenoperationen ausführen. Wird ferner
von dem Mikrocomputer, der eine Vektorsteuerung für die Motorsteuerung enthält,
DDC (unmittelbare, digitale Steuerung) ausgeführt, so können Daten in einfacher
Weise ausgetauscht werden. Vorteil der Erfindung ist daher, daß die Hardware über
die Steuerung der Zündimpulse wesentlich einfacher aufgebaut ist, als bei im Handel
erhältlichen Geräten.
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Außerdem kann die Benutzungszeit wesentlich verkürzt werden, die der
Mikrocomputer für die Steuerung der Zündimpulse benötigt, wenn die Zeitabstände
zwischen Zündimpulsen, die dem Wechselrichter zugeführt werden, mittels der Wechselrichterfrequenz
fl und dem Stromphasenwinkel n berechnet werden, wobei der außerhalb des Mikrocomputers
installierte Zähler dazu benutzt wird, die Zeit zu zählen und die Abgabe der Zündimpulse
mit Unterbrechungssignalen ausgelöst wird, die der Zähler abgibt, wenn der Zählstand
den Setzwert erreicht hat. Dementsprechend kann ein Mikrocomputer eingesetzt werden,
dessenRechengeschwindigkeit relativ gering ist, womit sich seine Einsatzmöglichkeit
vergrößert, weil nunmehr der Mikrocomputer auch für andere Rechenoperationen als
die Steuerung der Zündimpulse in der Zeitspanne zwischen zwei Unterbrechungssignalen
eingesetzt werden kann.
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Ist ferner DDC dadurch realisiert, daß eine Motorsteuerung in den
Mikrocomputer inkooperiert ist, so können Daten einfach ausgetauscht werden, ohne
einen Digital-Analog-Wandler, der für herkömmliche Zündimpulssteuerungen mit Analogschaltungen
erforderlich ist.
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Der berechnete Setzwert des Zählers 6 kann sogar dann modifiziert
werden, wenn die Sollwerte bzw. Führungsgrößen des Stromphasenwinkels und der Wechselrichterfrequenz
sich bei der regulären, periodischen Unterbrechung ändern, was zu einem schnellen
Steuereingriff bei Änderungen der Sollwerte führt.
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1 Patentanspruch 4 Figuren