DE3813130A1 - Digitalkommutator und digitalkommutierungsverfahren fuer einen geschalteten reluktanzantrieb - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf geschaltete Re­ luktanzantriebe und betrifft insbesondere einen Kommutator zum Steuern des Zündens der Phasen eines geschalteten Re­ luktanzmotors über einem sehr breiten Drehzahlbereich.

Obgleich Schalt- oder geschaltete Reluktanzmotor(SRM)-An­ triebe seit einiger Zeit bekannt sind, hat sich das Inte­ resse an ihnen kürzlich neu belebt. Verglichen mit her­ kömmlichen Induktions- und Synchronmotorantriebssystemen ist der SRM-Antrieb wirtschaftlich und im Aufbau einfach. Darüber hinaus benötigt der Stromrichter, der die SRM-Ma­ schine speist, weniger Leistungsvorrichtungen und ist deshalb wirtschaftlicher und zuverlässiger. Angesichts dieser Vorteile bildet das Antriebssystem mit geschalte­ tem Reluktanzmotor eine attraktive Alternative zu her­ kömmlichen Antriebssystemen und dürfte für industrielle Zwecke breite Anwendung finden.

Geschaltete Reluktanzmotoren haben üblicherweise mehrere Pole oder Zähne sowohl am Stator als auch am Rotor (d.h. sind mit ausgeprägten Polen doppelt versehen). Es gibt Phasenwicklungen auf dem Stator, aber keine Wicklungen oder Magnete auf dem Rotor. Jedes Paar diametral entge­ gengesetzter Statorpole ist in Reihe geschaltet und bil­ det eine unabhängige Phase des geschalteten mehrphasigen Reluktanzmotors.

Drehmoment wird erzeugt, indem der Strom jeder Phasen­ wicklung in einer vorbestimmten Reihenfolge eingeschaltet wird, die mit der Winkelposition des Rotors in Synchro­ nismus ist, so daß sich eine magnetische Anziehungskraft zwischen den Rotor- und den Statorpolen ergibt und diese sich gegenseitig anziehen. Der Strom wird in jeder Phase ausgeschaltet, bevor die Rotorpole, die den Statorpolen dieser Phase am nächsten sind, bei ihrer Drehung die aus­ gerichtete Position durchlaufen; andernfalls würde die magnetische Anziehungskraft ein Brems- oder negatives Drehmoment erzeugen. Das entwickelte Drehmoment ist von der Richtung des Stromflusses unabhängig, so daß unidi­ rektionale Stromimpulse, die mit der Rotorbewegung in Synchronismus sind, an die Statorphasenwicklungen durch einen Stromrichter angelegt werden können, in welchem unidirektionale Stromschaltelemente wie Thyristoren und Transistoren benutzt werden.

Im Betrieb des geschalteten Reluktanzantriebs werden so­ mit die Statorphasenströme in Synchronismus mit der Ro­ torposition ein- und ausgeschaltet. Durch richtiges Posi­ tionieren der Zündimpulse relativ zu dem Rotorwinkel kön­ nen Vor- oder Rückwärtsbetrieb und Motor- oder Generator­ betrieb erzielt werden.

In vielen Fällen ist die Verwendung eines festen Satzes von Stromimpulszündwinkeln in Verbindung mit einer Strom­ stärkeneinstellung zum Steuern des Drehmoments für den gesamten Bereich des Motorbetriebes ausreichend. In sol­ chen Fällen können ein Satz optische Unterbrecher und ei­ ne geschlitzte Scheibe zum Ausführen der Kommutierung be­ nutzt werden.

In jüngerer Zeit findet jedoch der geschaltete Reluktanz­ motor zunehmend Verwendung als Motor/Generator-Kombina­ tion oder als Positionsservoeinrichtung. Für diese Ver­ wendungszwecke ergeben feste Zündwinkel nicht immer ein ausreichendes Maschinendrehmoment über dem verlangten Drehzahlbereich. Auch bei diesen Verwendungszwecken ist eine präzise Positions- und Drehzahlinformation über dem vollen Betriebsbereich der Maschine häufig erforderlich. Bei solchen Verwendungszwecken kann eine geschlitzte Scheibe keine ausreichende Genauigkeit bieten, und ein optischer Drehgeber oder -melder wird häufig zum Messen von Position und Drehzahl benutzt.

Wenn der Drehzahlbereich eines geschalteten Reluktanzmo­ tors zunimmt, wird es im allgemeinen erwünscht, die Zünd­ winkel der Stromimpulse in bezug auf die Rotorposition wahlweise einstellen zu können. Bei hohen Drehzahlen geht die Stromsteuerung verloren und die einzige Möglichkeit zum Steuern des Motordrehmoments besteht darin, die Im­ pulsposition und -breite zu verändern.

Wenn eine SRM-Analogsteuereinheit bei solchen Verwendungs­ zwecken benutzt wird, wird eine Kommutatorschaltungsanord­ nung in Hardwareform zum Erzeugen der geeigneten Phasen­ zündimpulse benötigt. Wenn, wie es häufig erwünscht ist, eine Steuereinheit auf Mikroprozessorbasis benutzt wird, kann der Prozessor selbst die Zündbefehle bei niedrigeren Drehzahlen erzeugen, wenn aber die Maschinendrehzahl zu­ nimmt, kann diese Aufgabe einen nicht mehr akzeptablen Teil der Zeit des Prozessors in Anspruch nehmen. Es ist demgemäß erwünscht, die Kommutierungsfunktion von dem Mi­ kroprozessor auf eine separate Digitalschaltung zu verla­ gern.

Eine Anzahl von Digitalkommutatorschaltungen für bürsten­ lose Gleichstrommotoren ist bereits vorgeschlagen worden. Die meisten dieser Schaltungen scheinen entweder hinsicht­ lich ihrer Schnittstelle mit dem Rotorpositionssensor oder hinsichtlich ihres Drehzahlbereiches beschränkt zu sein. Zum Beispiel beschreiben L. Thompson und M. Lee in dem Artikel "Universal Brushless Motor Commutator", der auf dem 13th Annual Symposium on Incremental Motion Control Sys­ tems and Devices, Urbana, Illinois, Mai 1984, präsentiert worden ist, eine Kommutierungsschaltung, die eine Schnitt­ stelle mit einem inkrementellen Drehgeber hat und eine Zündvoreilung gestattet, aber eine feste Impulsbreite be­ nutzt. Bei einem geschalteten Reluktanzmotor ist jedoch die Stromeinstellung bei hoher Drehzahl wegen des Aufbaus einer Gegen-EMK nicht möglich, und eine Impulsbreitener­ weiterung wird benötigt, um den Betrieb bei solchen hohen Drehzahlen zu gestatten.

Die US-PS 42 70 074 und 43 68 411 beschreiben Steuersyste­ me für bürstenlose Gleichstrommotoren, bei denen ein Fest­ speicher (ROM) benutzt wird. Mit bürstenlosen Gleichstrom­ motoren sind bei diesen US-Patentschriften wie üblich Dauermagnetmotoren gemeint, in denen Magnete auf die Ober­ fläche des Rotors geklebt und die Statorphasenwicklungen in Sternschaltung miteinander verbunden sind, nicht aber geschaltete Reluktanzmotoren. Gemäß der US-PS 42 70 074 wird ein ROM benutzt, der durch Motorwellenpositionssenso­ ren adressiert wird, um den synchronen Betrieb zu gewähr­ leisten, es ist aber nicht vorgesehen, das Ansprechen des Speichers als Funktion der Drehzahl zu ändern. Gemäß der US-PS 43 68 411 wird ein ROM zum Steuern eines Antriebsum­ schaltkreises benutzt. Ein externer Pulsbreitenmodulator gestattet eine gewisse Veränderung der Impulsbreite der durch den ROM erzeugten Impulse, bei dieser patentierten Schaltung ist aber keine Veränderung des Einschaltwinkels dieser Impulse vorgesehen.

Demgemäß besteht Bedarf an einem Kommutator zum Steuern des Schaltens der Statorphasen eines geschalteten Reluk­ tanzmotors nach einem Digitalsteuerschema, um dem Mikro­ prozessor diese Aufgabe abzunehmen. Das würde auch eine große Vielseitigkeit hinsichtlich der Lage und der Dauer der Phasenzündimpulse gestatten und dadurch die SRM-Lei­ stung über einem breiteren Drehzahlbereich einschließlich extrem hoher Drehzahlen ermöglichen.

Der vorgenannte Bedarf wird gedeckt und die Nachteile des Standes der Technik werden beseitigt, indem gemäß der Er­ findung ein Kommutator für einen geschalteten Reluktanzan­ trieb geschaffen wird, bei dem ein wahlweise adressierba­ rer, nichtflüchtiger Speicher, z.B. ein ROM, benutzt wird. Der Speicher speichert vorzugsweise mehrere Standardmehr­ phasenzündmuster. Jedes Muster enthält eine Sequenz von Statorphasenzündimpulsen über einer elektrischen Periode des Antriebs. Jeder Impuls eines besonderen Musters hat vorzugsweise die gleiche Dauer und einen Einschaltwinkel, der einer anderen Ausgangsrotorposition entspricht. Die Muster unterscheiden sich vorzugsweise nur in der Impuls­ breite. Der Speicher wird synchron mit der Augenblicksro­ torposition adressiert, um eine Sequenz von Phasenschalt­ befehlsimpulsen mit einem gewünschten einstellbaren Vor­ eilwinkel und einer gewünschten einstellbaren Impulsbreite zu erzeugen.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung spei­ chert der Speicher jedes Muster von Impulsen als Wort an adressierbaren Speicherplätzen. Jedes Wort repräsentiert den geschalteten Zustand von sämtlichen Phasen des Motors in einer besonderen Rotorposition, und jeder adressierbare Speicherplatz repräsentiert eine andere Rotorposition für die elektrische Periode des Motors. Ein digitales Summier­ glied summiert eine erste Digitaldarstellung der Augen­ blicksrotorposition und eine zweite Digitaldarstellung ei­ nes gewünschten Voreilwinkels, um ein zusammengesetztes Adreßsignal zum Auslesen von Information aus dem Speicher zu schaffen. Ein Mikroprozessor gibt den Voreilwinkel an und liefert außerdem ein Verweilzeit- oder Schließwinkelsignal zum Identifizieren, welches gespeicherte Muster in dem Speicher zu einer bestimmten Zeit zu adressieren ist. Die verschiedenen Zündmuster können in verschiedenen Abschnit­ ten des Speichers gespeichert werden und/oder mehrere Mu­ ster können in demselben Abschnitt eines Speichers gespei­ chert werden, wenn die Wortgröße das gestattet. In letzte­ rem Fall werden auf das Verseilzeitsignal ansprechende Multi­ plexer vorzugsweise benutzt, um zwischen verschiedenen Mu­ stern zu unterscheiden.

Außer dem besonderen Aufbau des Kommutators betrifft die Erfindung einen geschalteten Reluktanzantrieb auf Mikro­ prozessorbasis, der diesen Kommutator enthält, sowie Kom­ mutierungsverfahren, die vorteilhafterweise dadurch reali­ siert werden.

Demgemäß ist es ein Hauptziel der Erfindung, für SRM-Ma­ schinen mit beliebiger Phasenzahl einen auf Digitalhard­ ware basierenden Kommutator zu schaffen, der einem Mikro­ prozessor die Kommutierungsfunktion abnimmt und diese Funktion über einem extrem breiten Drehzahlbereich er­ füllt.

Weiter soll durch die Erfindung ein SRM-Kommutator ge­ schaffen werden, der eine vollständige Flexibilität sowohl hinsichtlich der Lage als auch der Dauer der Statorphasen­ zündimpulse gestattet.

Ferner soll durch die Erfindung ein Kommutator für einen geschalteten Reluktanzantrieb geschaffen werden, der ohne weiteres entweder mit einem Standard-Drehmelder/Digital­ wandler oder mit einem optischen Drehgeber verbindbar ist.

Außerdem soll durch die Erfindung ein Kommutator für einen geschalteten Reluktanzmotor geschaffen werden, der einfach und billig ist und trotzdem eine gute Drehmomentsteuerung des Motors bei höheren Drehzahlen als bislang praktisch möglich erleichtert.

Weiter soll durch die Erfindung eine Kommutator- und Steu­ eranordnung geschaffen werden, die das wahlweise Einschal­ ten und eine wahlweise Dauer der Statorphasenzündimpulse in bezug auf die Rotorwinkelposition bei einem geschalte­ ten Reluktanzmotor erleichtert.

Schließlich soll durch die Erfindung eine Kommutator- und Steueranordnung geschaffen werden, welche die Verwendung eines SRM über einem sehr breiten Drehzahlbereich als eine Motor/Generator-Kombination oder als eine Positionsservo­ einrichtung oder für andere diverse Zwecke gestattet.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1a eine vereinfachte Quer­ schnittansicht eines typi­ schen geschalteten Reluktanz­ motors,

Fig. 1b einen typischen Stromrichter für den geschalteten Reluk­ tanzmotor nach Fig. 1a,

Fig. 2 ein Blockschaltbild des ge­ samten geschalteten Reluk­ tanzantriebs nach der Erfin­ dung,

Fig. 3 ein Blockschaltbild einer er­ sten Ausführungsform des Kom­ mutators nach der Erfindung,

Fig. 4 graphisch Veränderungen in einem Phasenschaltbefehlsim­ puls für eine einzelne Sta­ torphase in dem geschalteten Reluktanzmotor nach Fig. 1a,

Fig. 5a graphisch einen Statorphasen­ stromimpuls in dem geschalte­ ten Reluktanzmotor nach Fig. 1a bei dessen Betrieb mit niedriger Drehzahl,

Fig. 5b graphisch einen Statorphasen­ stromimpuls in dem geschalte­ ten Reluktanzmotor nach Fig. 1a bei dessen Betrieb mit mittlerer Drehzahl, wobei der Impuls gemäß der Erfindung mit einem Voreilwinkel gelie­ fert wird,

Fig. 5c graphisch einen Statorphasen­ stromimpuls in dem geschalte­ ten Reluktanzmotor nach Fig. 1a bei dessen Betrieb mit ho­ her Drehzahl, wobei der Im­ puls einen Voreilwinkel und eine erweiterte Impulsbreite gemäß der Erfindung hat, und

Fig. 6 eine weitere Ausführungsform des Kommutators nach der Er­ findung.

Der Kommutator und die Steueranordnung nach der Erfindung sind besonders zur Verwendung mit einem SRM in einem ge­ schalteten Reluktanzantrieb ausgelegt. Beispielshalber ist ein vierphasiger geschalteter Reluktanzmotor 10 in Fig. 1a dargestellt, und ein typischer zugeordneter Stromrichter 20 ist in Fig. 1b gezeigt. Es ist klar, daß diese Motor/ Stromrichter-Konfiguration lediglich zu Veranschauli­ chungszwecken dient und daß der Kommutator und die Steuer­ anordnung nach der Erfindung bei jedem SRM mit irgendeiner Phasenzahl verwendbar sind.

Gemäß der Darstellung in Fig. 1a hat der Motor 10 einen Rotor 12, der entweder in Vorwärts- oder in Rückwärtsrich­ tung in einem stationären Stator 14 drehbar ist. Die Vor­ wärtsrichtung F gibt die Drehung des Rotors im Gegenuhr­ zeigersinn an, wogegen die Rückwärtsrichtung R die Drehung im Uhrzeigersinn angibt. Der Rotor 12 hat drei Paare von diametral entgegengesetzten Polen a-a′, b-b′ und c-c′. Der Stator 14 ist mit vier Paaren von diametral entgegenge­ setzten Statorpolen A-A′, B-B′, C-C′ und D-D′ versehen.

Die entgegengesetzten Pole jedes Statorpolpaares teilen sich eine gemeinsame bifilare Wicklung und bilden eine un­ abhängige Statorphase. Eine repräsentative Wicklungsspule 16 für die Phase A ist in Fig. 1a dargestellt, und gleich­ artige Wicklungen (nicht dargestellt) sind für jedes ande­ re Statorpolpaar vorgesehen.

Die Rotordrehung wird erzeugt, indem der Strom in jeder Statorphasenwicklung in einer vorbestimmten Sequenz ein­ und ausgeschaltet wird, die mit der Winkelposition des Ro­ tors in Synchronismus ist. Der Strom in jeder Statorphase wird dem Stromrichter 20 entnommen, der in Fig. 1b darge­ stellt ist und eine Gleichstromzwischenkreisspannung V _d an den vier parallelen Statorphasenzweigen PH-A, PH-B, PH-C und PH-D einprägt. Die Zwischenkreisspannung V _d kann einer Batterie (nicht dargestellt) oder aus einer Wechsel­ stromversorgung (z.B. einem dreiphasigen Netz mit 220 V und 60 Hz) über eine herkömmliche Diodengleichrichter­ schaltung 22 und einen Filterkondensator 23 entnommen wer­ den.

Die Stromrichterschaltungsanordnung für jeden Statorpha­ senzweig ist gleich. Der Zweig PH-A enthält beispielsweise eine Statorbifilarwicklung 24 A, eine Rückkopplungsdiode 26 A und eine Stromschaltvorrichtung in Form eines Transi­ stors T _A , der wie in Fig. 1b gezeigt geschaltet ist. Die Basis 25 A des Transistors T _A ist mit einem Ausgang der Steueranordnung nach der Erfindung verbunden und empfängt daraus eine Schaltsteuerimpulsfolge S _A .

Wenn der Transistor T _A eingeschaltet ist, fließt ein Pha­ senstrom i _A , der aus dem Zwischenkreisstrom I _d abgeleitet wird, durch die Statorwicklung für die Phase A. Wenn der Transistor T _A abgeschaltet wird, liefert die Bifilarwick­ lung 24 A in Reihe mit der Rückkopplungsdiode 26 A die ge­ speicherte Energie an die Quelle zurück. Während des Brem­ sens ist der dynamische Bremstransistor T _DB in Reihe mit einem Widerstand R parallel zu der Quelle gleichgerichte­ ten Wechselstroms eingeschaltet, damit die rückgewonnene Energie in dem Widerstand R verbraucht wird. Bei einer Batteriestromversorgung wird statt dessen die Energie durch die Stromversorgung aufgenommen.

Die Stromrichterschaltungsanordnung für die anderen Pha­ senzweige arbeitet jeweils auf gleiche Weise und wird dem­ gemäß hier nicht im einzelnen beschrieben. Die Transisto­ ren T _A , T _B , T _C und T _D werden nacheinander zum Leiten ge­ bracht, wobei die Reihenfolge des Leitens von der Dreh­ richtung abhängig ist. Bei der dargestellten vierphasigen Maschine wird eine besondere Phase periodisch mit einer 60°-Zyklusperiode gezündet, weshalb bei der vierphasigen Maschine aufeinanderfolgende Phasen in 15°-Intervallen ge­ zündet werden.

Die Erfindung betrifft einen Kommutator zum Steuern der Positionierung und der Dauer der Phasenschaltbefehlsimpul­ se, die an die Stromschaltvorrichtungen des Wechselrichters abgegeben werden. Ein Blockschaltbild einer SRM-Steueran­ ordnung 30 auf Mikrocomputerbasis, die einen solchen Kom­ mutator enthält, ist in Fig. 2 gezeigt. Wie dargestellt empfängt ein Mikroprozessor 32 die Zwischenkreisspannung V _d , den Zwischenkreisstrom I _d , ein Drehzahlrückkopplungs­ signal ω und Bedienerbefehle. Auf bekannte Weise verar­ beitet der Mikroprozessor diese Eingangssignale und lie­ fert einen Sollstrombefehl I _Soll, einen Voreilwinkelbefehl und einen Verweilzeit- oder Verzögerungswinkelbefehl, die so sind, daß die gewünschte SRM-Leistung erzeugt wird. Der Sollstrombefehl I _Soll wird an einen stromgeregelten Wechselrichter 34 ähn­ lich dem oben beschriebenen Wechselrichter 20 in Fig. 1b ab­ gegeben, der aber auf ebenfalls bekannte Weise den Strom­ wert der Statorphasenstromimpulse regelt.

Die Voreil- und Verzögerungsbefehle aus dem Mikroprozessor 32 werden an einen Kommutator 36, der im folgenden aus­ führlicher beschrieben ist, zusammen mit einem Positions­ signal R angelegt, das die Augenblicksrotorposition dar­ stellt. Die besonderen optimalen Winkel zum Zünden der Statorphasen (d.h. der Voreilwinkel und die Verweilzeit oder Impulsbreite) über einem gewünschten Drehzahlbereich hängen von der Maschinengeometrie ab und können beispiels­ weise experimentell bestimmt und dann in dem Mikroprozes­ sor auf bekannte Weise realisiert werden, z.B. durch Ap­ proximieren derselben mit Polynomen oder durch stückweise lineare Approximationen oder mit Suchtabellen. Die beson­ dere Methode der Funktionsrealisierung ist für die Erfin­ dung unkritisch, solange die Voreil- und Verweilzeitbefeh­ le aus den Ausgängen des Mikroprozessors für die gewünsch­ te Motorsteuerung über dem Drehzahlbereich für die beson­ deren Verwendungszwecke sorgen.

Ein Drehgeber 38 in Verbindung mit einem Drehgeber/Digi­ talwandler 40 oder irgendeiner gleichwertigen Rotorposi­ tionsabfühl- und -schnittstellenanordnung erzeugt das di­ gitale Positionssignal R, welches die Augenblicksrotorwin­ kelposition darstellt. Der Wandler 40 gibt außerdem das Drehzahlrückführungssignal ω an den Mikroprozessor 32 ab.

Der Kommutator 36 verarbeitet die Voreil- und Verweilzeit­ befehle zusammen mit dem Rotorpositionssignal R zu Phasen­ schaltbefehlsimpulsen P _A , P _B , P _C und P _D für die einzelnen Statorphasen. Gemäß der folgenden ausführlicheren Be­ schreibung werden die Ein- und Ausschaltwinkel der Phasen­ schaltbefehlsimpulse (d.h. das Statorphasenzündmuster) durch den Mikroprozessor wahlweise gesteuert, um das Dreh­ moment über einem breiten Drehzahlbereich zu optimieren. Die Phasenschaltbefehlsimpulse werden zusammen mit dem Sollstrombefehl I _Soll durch den stromgeregelten Wechsel­ richter 34 zu den gewünschten Statorphasenstromimpulsen I _A , I _B , I _C und I _D an dem SRM 10 verarbeitet.

Im Betrieb wird das Drehmoment, das durch den geschalteten Reluktanzmotor 10 erzeugt wird, gesteuert, indem die Stär­ ke des dem Motor zugeführten Stroms und die Winkel, bei denen der Strom ein- und ausgeschaltet wird, gesteuert werden. Bei niedriger Drehzahl wird der Sollstromwert I _Soll so verändert, daß das gewünschte Drehmoment erzielt wird, und der Einschaltwinkel und die Impulsbreite werden konstant gehalten. Wenn die Drehzahl zunimmt, werden die Einschaltwinkel eingestellt, um den Wirkungsgrad des Mo­ tors über die Voreilwinkeleinstellung zu maximieren. Bei höheren Drehzahlen geht die Stromsteuerung verloren und das Drehmoment wird eingestellt, indem die Ein- und Aus­ schaltwinkel der Phasenschaltbefehlsimpulse auf die Vor­ eil- und Verweilzeitbefehle hin, die aus dem Mikroprozes­ sor empfangen werden, eingestellt werden.

Zum Ändern der Richtung des durch den Motor erzeugten Drehmoments wird der Voreilwinkel so programmiert, daß der Zündimpuls auf der entgegengesetzten Seite der ausgerich­ teten Position von Statorpol und Rotorpol positioniert wird. Das gestattet umgekehrten Betrieb oder die Verwen­ dung des Motors als Generator.

Der Kommutator nach der Erfindung nimmt dem Mikroprozessor die beschriebene Kommutierungsfunktion ab und erleichtert die "Echtzeit"-Einstellung der Lage und der Impulsbreite des Statorphasenzündmusters als Funktion der Rotorposition.

Fig. 3 zeigt eine erste Ausführungsform des Kommutators nach der Erfindung. In dem Kommutator wird ein nichtflüch­ tiger Speicher 42 benutzt, vorzugsweise ein Festspeicher (ROM). Der Speicher 42 dient zum Speichern von mehreren Standardstatorphasenzündmustern. Jedes Muster enthält eine Sequenz von Statorphasenzündimpulsen über einem elektri­ schen Zyklus des Antriebs, und jeder Impuls eines besonde­ ren Musters hat vorzugsweise die gleiche Dauer und einen Einschaltwinkel, der einer anderen Ausgangsrotorposition entspricht. Die verschiedenen Muster unterscheiden sich vorzugsweise nur in der Impulsbreite ihrer Impulse.

Vorzugsweise ist in dem Speicher 42 jedes Impulsmuster in Form von Wörtern an adressierbaren Speicherplätzen abge­ speichert. Jedes Wort repräsentiert den geschalteten Zu­ stand sämtlicher Phasen des Motors in einer besonderen Ro­ torposition, und jeder adressierbare Speicherplatz reprä­ sentiert eine andere Rotorposition für den elektrischen Zyklus des Motors. Somit entspricht jeder eindeutigen ROM- Adresse ein Rotorwinkel, und jedes Wort des ROM enthält ein Muster von Bits (Einsen und Nullen), die den Stator­ schaltzuständen für diesen Rotorwinkel entsprechen. Die Werte eines besonderen Bits in den Wörtern beschreiben deshalb den Zündimpuls für eine besondere Statorphase, wenn die ROM-Adresse über ihrem vollen Bereich verändert wird. Das ist durch einen Impuls 50 in Fig. 4 veranschau­ licht, der den Wert eines besonderen Bitplatzes eines N- Wort-ROM an jeder Adresse zeigt (d.h. den Rotorwinkel).

Der in Fig. 3 gezeigte ROM ist vier Bits breit, weshalb jeder geschaltete Reluktanzmotor, der bis zu vier Phasen hat, zusammen mit diesem ROM benutzt werden kann. Das Er­ weitern der Anordnung auf Motoren mit mehr als vier Phasen erfordert lediglich einen ROM mit größerer Kapazität.

Die gewünschte Rotorwinkelpositionsauflösung und die elek­ trische Periode des besonderen Motors bestimmen die Anzahl von adressierbaren Speicherplätzen, die benötigt werden, um ein einzelnes Standardzündmuster zu speichern. Bei­ spielsweise braucht bei einem dreiphasigen System, bei dem ein 10-Bit-Drehmelder benutzt wird (d.h. eine Auflösung von 0,35156°), nur ein Quadrant (90°) von Zünddaten ge­ speichert zu werden. Die Auflösung (10 Bits) und die elek­ trische Periode (90°) legen gemeinsam die Größe des Spei­ chers fest, der zum Speichern des Musters benötigt wird. In diesem Fall ist, da 90° ein Viertel einer Umdrehung oder gleich acht Bits ist, ein 256-Wort-ROM zum Speichern des Musters nötig.

Um eine beliebige Lage der Statorphasenzündimpulse zu ge­ statten, enthält der Kommutator ein digitales Summierglied 44 bekannter Art, welches das Digitalpositionssignal zu einem zweiten Digitalsignal S _ADV addiert, das den gewünsch­ ten Voreilwinkel repräsentiert, um ein zusammengesetztes Adreßsignal S _ADR zum Auslesen von Information aus dem ROM 42 in Synchronismus mit der Augenblicksrotorposition zu er­ zeugen. Der Voreilwinkel verschiebt tatsächlich den abge­ fühlten Maschinenrotorwinkel um irgendein gewünschtes Ausmaß und somit den Speicherplatz der Impulse in dem Standardzünd­ muster, das durch den ROM erzeugt wird, in demselben Ausmaß ab deren Ausgangsposition. Ein positiver Voreilwinkel wird bewirken, daß das Zünden bei einem früheren Winkel erfolgt, und ein negativer Winkel wird das Zünden verzögern. Das di­ gitale Voreilwinkelsignal S _ADV wird vorzugsweise durch ein Voreilregister oder einen Voreilzwischenspeicher 46 gelie­ fert, der den Voreilbefehl aus einem Ausgang des Mikropro­ zessors 32 empfängt.

Das Verändern der Impulsbreite des Zündmusters erfolgt, in­ dem Zündmuster gespeichert werden, die in verschiedenen ROM- Abschnitten nur in der Impulsbreite variieren. Beispielswei­ se könnte in dem 3-Phasen-System, das oben erläutert ist, ein 1K-ROM benutzt werden, um vier verschiedene Zündmuster zu speichern. Das Verweilzeiteingangssignal an dem Kommuta­ tor aus dem Mikroprozessor 32 (in Fig. 2 gezeigt) kann einem Verweilzeitregister oder -zwischenspeicher 48 (gezeigt in Fig. 3) zugeführt werden. Ein Digitalsignal S _DW aus dem Verweilzeit­ register 48 kann dann benutzt werden, um das Zündmuster in­ nerhalb des ROM auszuwählen, das zu irgendeiner bestimmten Zeit in Abhängigkeit von der gewünschten Impulsbreite adres­ siert werden soll. Die Größe des ROM wird dann durch den Ab­ stand und den Bereich der gewünschten Impulsbreiten bestimmt. Fig. 4 zeigt grafisch den Standardphasenschaltbefehlsimpuls 50 für eine einzelne Statorphase, der als Beispiel einen Einschaltwinkel von 60° und eine Impulsbreite von 30° hat, wobei mit gestrichelten Linien 52 angedeutet ist, wie bei höheren Drehzahlen durch den Kommutator nach der Erfindung der Befehlsimpulseinschaltwinkel vorverlegt und die Impuls­ breite vergrößert werden kann.

Die Fig. 5a, 5b und 5c veranschaulichen die Wellenform eines einzelnen Statorphasenstromimpulses bei niedriger, mittlerer bzw. hoher Drehzahl bei jeweils konstantem Motor­ drehmoment. In diesen Figuren repräsentiert jeweils die ver­ tikale Linie bei einem Rotorwinkel von 90°, die mit "AUSGERICHTET" bezeichnet ist, die Position, wo ein Rotorpol auf einen Statorpol der besonderen Statorphase ausgerichtet ist, der Sollstromwert jeweils 400 A beträgt und die Nenn­ impulsbreite des Standardimpulses 30° beträgt.

Gemäß der Darstellung in Fig. 5a ist bei niedriger Drehzahl, z.B. bei 1000 U/min, der Stromimpuls praktisch eine Recht­ eckschwingung. Wenn die Phase eingeschaltet wird, steigt der Strom augenblicklich in bezug auf die Rotorposition auf den Stromsollwert an und wird um diesen Stromsollwert über der Dauer des Impulses geregelt. Wenn die Phase abgeschaltet wird, fällt der Strom praktisch augenblicklich auf null ab. Bei solchen niedrigen Drehzahlen erfolgt die Drehmomentsteu­ erung durch Stromregelung, und es besteht keine Notwendig­ keit, die Impulsbreite zu ändern oder die Einschaltposition vorzuverlegen.

Wenn die Drehzahl zunimmt, was in Fig. 5b gezeigt ist, ist ein gewisser endlicher Rotorwinkel für das Ansteigen des Stroms auf dessen Sollwert erforderlich, nachdem die Phase eingeschaltet worden ist. Bei solchen Drehzahlen, z.B. 9000 U/min, wird bei dem Antrieb noch der Strom geregelt, weshalb eine gewisse Stromzerhackung sichtbar ist. Wenn die Phase anschließend abgeschaltet wird, ist eine gewisse end­ liche Zeit erforderlich, damit der Strom auf null abfallen kann. In diesem mittleren Drehzahlbereich kompensiert das Vorverlegen der anfänglichen Einschaltposition des Stromim­ pulses vorteilhafterweise die Stromanstiegszeit.

Bei hoher Drehzahl, z.B. 25 000 U/min, erfordert der Strom mehr Zeit zum Ansteigen und erreicht nie den Stromsollwert, weshalb keine Stromregelung erfolgt. Bei so hohen Drehzahlen wird die Einschaltposition weiter vorverlegt, und die Breite des Impulses wird verändert, wie es in Fig. 5c gezeigt ist, um das Motordrehmoment zu steuern. Über großen Drehzahlbe­ reichen wird daher die maximale Effizienz beim Steuern des Motordrehmoments erzielt, indem sowohl die Impulsposition als auch die Impulsbreite mit Hilfe des Kommutators nach der Erfindung wahlweise eingestellt werden.

Fig. 6 zeigt eine weitere Ausführungsform des Kommutators nach der Erfindung. In dieser Ausführungsform mit drei Statorphasen wird ein elektronisch programmierbarer Fest­ speicher (EPROM) 60 als nichtflüchtiger Speicher benutzt. Da die meisten EPROMs gegenwärtig in Breiten von 8 Bits benutzt werden, ist es praktisch möglich, zwei Zündmuster in demsel­ ben Wort zu speichern. Das gewünschte Muster wird dann ge­ wählt, indem Multiplexer 62, 64 und 66 mit zwei Eingängen wie dargestellt benutzt werden, wobei das gewählte Eingangs­ signal an den Multiplexern eines der Verweilzeitwortbits aus dem Verweilzeitregister 48 ist. Im übrigen arbeitet der Kom­ mutator nach Fig. 6 auf dieselbe Weise wie der oben beschrie­ bene Kommutator nach Fig. 3.

Eine Prototypenanordnung gemäß der Konfiguration nach Fig. 6 ist entworfen und gebaut worden, um einen dreiphasigen ge­ schalteten Reluktanzmotor zu steuern. Die Anordnung wurde auf der Basis einer Positionssensorauflösung von 10 Bits oder 8 Bits bei 90° entworfen (d.h. 0,35156°/Bit). Eine Im­ pulsbreitenvariation war in vollen Auflösungsschritten von null bis 45° erwünscht. Das bedeutete, daß 45/0,35156 oder 128 Zündmuster in dem EPROM gespeichert werden mußten, wo­ bei jedes Muster 256 3-Bit-Wörter an Daten erforderte. Da jedes EPROM-Wort 8 Bit breit ist, wurden nur 64 Abschnitte des EPROM benötigt, um sämtliche 128 Zündmuster zu spei­ schern. Unter Verwendung des Kommutators nach der Erfin­ dung wurde die Drehmomentsteuerung bei Drehzahlen von bis zu 45000 U/min mit der Prototypenanordnung erreicht.

Der Kommutator nach der Erfindung entlastet also den Mikro­ prozessor von der Kommutierungsfunktion und erlaubt voll­ ständige Flexibilität in der Impulspositionierung und der Impulsbreite und macht daher die SRM-Leistung über einem sehr breiten Drehzahlbereich möglich. Die Erfindung ge­ stattet die Verwendung eines geschalteten Reluktanzmotors bei höheren Drehzahlen als bislang möglich und erleichtert die Verwendung eines SRM als Servoantrieb in der Raumfahrt­ industrie und für diverse andere Zwecke.

Claims (19)

1. Digitalkommutator für einen geschalteten Reluktanzmotor (10), der mehrere unabhängige Statorphasen (PH-A, PH-B, PH-C, PH-D) hat, die in Synchronismus mit der Rotorposition sequentiell ein- und auszuschalten sind, wobei der Kommuta­ tor die Zeitsteuerung des Schaltens in bezug auf die Augen­ blicksrotorposition steuert, gekennzeichnet durch:
eine nichtflüchtige Speichereinrichtung (42, 60) zum Spei­ chern einer ersten Sequenz von Phasenschaltbefehlsimpulsen für die Statorphasen über einem elektrischen Zyklus des Mo­ tors, wobei jeder Impuls einen vorbestimmten Einschaltwinkel hat, der einer anderen Anfangsrotorposition und einer ersten vorbestimmten Impulsbreite entspricht, und
eine Adressiereinrichtung (44) zum Adressieren der Speicher­ einrichtung (42, 60) in Synchronismus mit der Augenblicksro­ torposition, so daß die Speichereinrichtung (42, 60) die er­ ste Sequenz von Impulsen mit dem Einschaltwinkel der Impulse erzeugt, die in bezug auf ihre Ausgangsrotorpositionen um einen einstellbaren Voreilwinkel verschoben sind.

2. Digitalkommutator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Speichereinrichtung (42, 60) adressierbare Speicher­ plätze zum Speichern der ersten Sequenz von Phasenschaltbe­ fehlsimpulsen als Wörter enthält, wobei jedes Wort den Schaltzustand von sämtlichen Phasen des Motors (10) in einer besonderen Rotorposition darstellt und wobei jeder adressier­ bare Speicherplatz eine andere Rotorposition für den elek­ trischen Zyklus des Motors (10) darstellt.

3. Digitalkommutator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor (10) N Statorphasen aufweist und daß die Spei­ chereinrichtung (42, 60) einen Festspeicher enthält, der wenigstens N Bit für jedes zu speichernde Wort hat.

4. Digitalkommutator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich­ net, daß die N Bits einen Schaltzustand einer der N Phasen darstellen.

5. Digitalkommutator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich­ net, daß die Adressiereinrichtung ein Summierglied (44) auf­ weist zum Summieren eines ersten Digitalsignals (R), das die Augenblicksrotorposition darstellt, und eines zweiten Digitalsignals (S _ADV), das den Voreilwinkel darstellt, um ein Adressignal (S _ADR), das die Summe der Augenblicksrotor­ position und des Voreilwinkels darstellt, an die Speicher­ einrichtung (42, 60) abzugeben.

6. Digitalkommutator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich­ net, daß der Festspeicher (42, 60) mehrere Speicherabschnit­ te enthält, wobei jeder Speicherabschnitt eine Sequenz von Phasenschaltbefehlsimpulsen speichert, wobei jede Sequenz sich von jeder anderen nur in der vorbestimmten Impulsbreite der Impulse unterscheidet, und daß der Kommutator (36) eine Verweilzeiteinrichtung (48) aufweist, mittels welcher wähl­ bar ist, welcher der Speicherabschnitte durch die Adressier­ einrichtung (44) zu einer besonderen Zeit gemäß einer ge­ wünschten Impulsbreite zu adressieren ist.

7. Digitalkommutator nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine Rotorpositionsabfühleinrichtung (38, 40) zum Liefern des ersten Digitalsignals und durch ein Voreilregister (46) zum Liefern des zweiten Digitalsignals, wobei die Verweil­ zeiteinrichtung ein Verweilzeitregister (48) zum Abgeben ei­ nes Verweilzeitsignals an die Speichereinrichtung (42, 60) aufweist.

8. Digitalkommutator nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch einen Mikroprozessor (32) zum Steuern der in das Voreilregister (46) und in das Verweilzeitregister (48) eingebrachten Werte als Funktion der Motordrehzahl bzw. des gewünschten Drehmo­ ments, so daß der Voreilwinkel der Impulse, der durch die Speichereinrichtung (42, 60) geliefert wird, mit zunehmender Drehzahl zunimmt und sich die Impulsbreite als Funktion des verlangten Drehmoments verändert, wobei das Voreilregister (46) und das Verweilzeitregister (48) mit Ausgängen des Mikroprozessors (32) verbunden sind.

9. Digitalkommutator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotorpositionsabfühleinrichtung einen Drehmelder (38) und einen mit dem Drehmelder verbundenen Drehmelder/ Digitalwandler (40) aufweist.

10. Kommutator nach einem der Ansprüche 5 bis 9, gekennzeich­ net durch Multiplexereinrichtungen (62, 64, 66) zum Auswäh­ len unter M verschiedenen Sequenzen von Impulsen, die durch die Speichereinrichtung (60) erzeugt werden, wobei M die An­ zahl von verschiedenen Phasenschaltbefehlsimpulsen für jede Statorphase darstellt.

11. Digitalkommutator nach einem der Ansprüche 8 bis 10, da­ durch gekennzeichnet, daß die Anzahl von adressierbaren Speicherplätzen in jedem Abschnitt der Speichereinrichtung (60) einer gewünschten Rotorwinkelpositionsauflösung für ei­ nen elektrischen Zyklus des Motors (10) entspricht, und daß die Anzahl von Speicherabschnitten durch den Abstand und den Bereich der gewünschten Impulsbreiten bestimmt wird.

12. Digitale Steuereinheit auf Mikroprozessorbasis zum wahl­ weisen Steuern des Zündens von Statorphasen in Synchronismus mit der Rotorwinkelposition eines mehrphasigen geschalteten Reluktanzantriebs über einem breiten Drehzahlbereich, gekenn­ zeichnet durch:
eine Mikroprozessoreinrichtung (32) zum Liefern eines Voreil­ winkelsignals, das eine gewünschte Verschiebung der Ein­ schaltwinkelposition einer Sequenz von Statorphasenzündim­ pulsen gemeinsamer Impulsbreite darstellt, eines Schließwin­ kelsignals, das eine gewünschte Impulsbreite für die Zünd­ impulse angibt, und eines Sollstromsignals;
eine Kommutierungseinrichtung (36) zum Empfangen und Verar­ beiten des Voreilwinkelsignals, des Schließwinkelsignals und eines Rotorwinkelpositionssignals, das die Augenblicks­ rotorwinkelposition angibt, und zum Erzeugen von Phasen­ zündbefehlsimpulsen für jede Statorphase, mit einer Fest­ speichereinrichtung (42, 60) zum Speichern von verschiede­ nen Sequenzen der Zündimpulse, wobei jede Sequenz als we­ nigstens ein Digitalwort in jeweils einem von mehreren adressierbaren Speicherplätzen der Speichereinrichtung (42, 60) gespeichert wird, wobei jedes Wort dem Schaltzu­ stand von sämtlichen Statorphasen für eine besondere Rotor­ winkelposition entspricht und wobei jeder adressierbare Speicherplatz einer anderen Rotorposition über einem elek­ trischen Zyklus des Antriebs entspricht, wobei die verschie­ denen Sequenzen jeweils einer Differenz in der Impulsbreite der Zündimpulse entsprechen und wobei die Kommutierungsein­ richtung (36) weiter eine Summiereinrichtung (44) aufweist zum Summieren des Voreilwinkelsignals und des Rotorposi­ tionssignals, um ein Adreßsignal zum Adressieren des Fest­ speichers (42, 60) in Synchronismus mit der Augenblicksro­ torposition zu erzeugen, und wobei die Kommutierungsein­ richtung (36) schließlich eine Schließwinkeleinrichtung (48) aufweist, mittels welcher auswählbar ist, welche der Zündsequenzen durch das Adreßsignal gemäß dem aus der Mi­ kroprozessoreinrichtung (32) empfangenen Schließwinkelsi­ gnal zu adressieren ist; und
eine stromgeregelte Wechselrichtereinrichtung (34) zum Empfangen des Sollstromsignals aus der Mikroprozessorein­ richtung (32) und der Phasenschaltbefehlsimpulse aus der Kommutierungseinrichtung (36), um daraus eine Statorphasen­ zündimpulsfolge für jede Statorphase zu erzeugen.

13. Steuereinheit nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die in dem Festspeicher (42, 60) gespeicherten Wörter die Schaltzustände in den Rotorpositionen für mehrere der Sequenzen darstellen und daß die Kommutierungseinrichtung (36) weiter Multiplexereinrichtungen (62, 64, 66) aufweist, die mit der Mikroprozessoreinrichtung (32) verbunden sind und auf das Schließwinkelsignal ansprechen, um zwischen den mehreren Sequenzen zu unterscheiden.

14. Steuereinheit nach Anspruch 12 oder 13, gekennzeichnet durch einen geschalteten Reluktanzmotor (10) und durch ei­ ne Rotorpositionsabfühleinrichtung (38, 40), die mit dem Motor verbunden ist, um das Rotorwinkelpositionssignal zu erzeugen.

15. Steuereinheit nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotorpositionsabfühleinrichtung einen Drehmelder (38) und einen mit diesem verbundenen Drehmelder/Digital­ wandler (40) aufweist.

16. Digitalkommutierungsverfahren zum Abgeben von Zündimpul­ sen einstellbaren Zündwinkels an einen Wechselrichter eines mehrphasigen geschalteten Reluktanzantriebs zum wahlweisen Ein- und Ausschalten des Stroms in den Statorphasen des An­ triebs in Synchronismus mit der Rotorposition, gekennzeich­ net durch folgende Schritte:
Speichern wenigstens eines Standardmehrphasenzündmusters in einem nichtflüchtigen Speicher, so daß die Binärdarstellun­ gen eines Zündzustands jeder Statorphase für aufeinanderfol­ gende Rotorwinkel über einem elektrischen Zyklus des An­ triebs an aufeinanderfolgenden adressierbaren Speicher­ plätzen in dem Speicher abgespeichert werden;
Liefern einer ersten Digitaldarstellung der Augenblicksro­ torwinkelposition;
Liefern einer zweiten Digitaldarstellung eines gewünschten Voreilwinkels, der eine gewünschte Verschiebung des Speicher­ platzes des Zündmusters in bezug auf den Rotorwinkel dar­ stellt;
Addieren der ersten und der zweiten Digitaldarstellung, um ein zusammengesetztes Adreßsignal zu erzeugen; und
Adressieren des Speichers mit dem Adreßsignal in Synchro­ nismus mit der Digitaldarstellung der Augenblicksrotorwin­ kelposition, so daß das um den Voreilwinkel verschobene Zündmuster aus der Speichereinrichtung ausgelesen werden kann.

17. Verfahren nach Anspruch 16, gekennzeichnet durch folgen­ de weitere Schritte:
Speichern von Standardzündmustern unterschiedlicher Impuls­ breite in unterschiedlichen Speicherabschnitten; und
Abgeben eines Verweilzeitsignals an den Speicher, das eine gewünschte Impulsbreite angibt, um anzugeben, welcher Ab­ schnitt des Speichers zu irgendeiner bestimmten Zeit zu adressieren ist.

18. Verfahren zum Steuern des Schaltens der Phasen eines mehrphasigen geschalteten Reluktanzantriebs mit Phasenzünd­ impulsen auf eine Weise, die eine Veränderung der Zeitsteu­ erung des Schaltens in bezug auf die Rotorposition gestat­ tet, gekennzeichnet durch folgende Schritte:
Speichern von Information, die ein erstes Zündmuster von Statorphasenzündimpulsen über einem elektrischen Zyklus des Antriebs als Funktion der Rotorposition angibt, in ei­ nem digitalen nichtflüchtigen Speicher, wobei jeder Impuls des Musters die gleiche Dauer und einen Einschaltwinkel hat, der einer anderen Anfangsrotorposition entspricht;
Empfangen eines binären Positionssignals, das die Augen­ blicksrotorwinkelposition darstellt;
Modifizieren des Positionssignals, um ein modifiziertes Positionssignal zu erzeugen, das so eingestellt ist, daß eine gewünschte Verschiebung der Impulse in bezug auf ihre Anfangsrotorpositionen erzielt wird; und
Verwenden des modifizierten Positionssignals zum Adressie­ ren des Speichers und zum Auslesen von Information aus demselben in Synchronismus mit der Augenblicksrotorwinkel­ position, wodurch die Lage der Zündimpulse und demgemäß die Zeitsteuerung des Schaltens nach Bedarf eingestellt werden kann.

19. Verfahren nach Anspruch 18, bei dem das erste Zünd­ muster in einem ersten Abschnitt des Speichers gespeichert wird, gekennzeichnet durch folgende weitere Schritte:
Speichern von anderen Zündmustern von Impulsen, die sich von dem ersten Muster nur in der Impulsbreite unterschei­ den, in anderen Abschnitten des Speichers; und
Adressieren von vorbestimmten Speicherabschnitten mit dem modifizierten Positionssignal in Abhängigkeit von der ge­ wünschten Impulsbreite der Zündimpulse.