DE4026366A1

DE4026366A1 - Verfahren zur regelung des motorstroms eines buerstenlosen gleichstrommotors

Info

Publication number: DE4026366A1
Application number: DE19904026366
Authority: DE
Inventors: Kai Albrecht; Helmut Meyer
Original assignee: Heidelberger Druckmaschinen AG
Current assignee: Heidelberger Druckmaschinen AG
Priority date: 1990-08-21
Filing date: 1990-08-21
Publication date: 1992-03-05
Also published as: DE4026366C2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung des Motorstroms in den Phasenwicklungen eines bürstenlosen Gleichstrommotors, wobei die einzelnen Phasenwicklungen über einen elektronisch steuerbaren Gleichspannungs-Zwischenkreis-Umrichter (Umrichter) mit schaltbaren Halbleiterventilen und diesen parallel geschalteten Freilaufdioden in den einzelnen Brückenzweigen bestromt werden, und die Istwert-Erfassung des Motorstroms ausschließlich im Gleichspannungs-Zwischenkreis erfolgt.

Da Gleichstrommotoren sich durch eine hohe Dynamik und eine gute Steuerbarkeit auszeichnen, werden sie in zunehmendem Maße in der Antriebstechnik eingesetzt. Als nicht unproblematisch erweist sich jedoch die Ansteuerung der Motoren über einen weiten Drehzahlbereich, insbesondere in Richtung kleiner Drehzahlen. Um ein sanftes, glattes Anlaufen eines bürstenlosen Gleichstrommotors sicherzustellen, wird in der DE-OS 35 25 210 folgende Steuerschaltung beschrieben: Bei Erreichen eines vorgegebenen Vergleichswertes wird die Erregung der Statorwicklungen für eine zuvor festgelegte Zeitdauer mittels einer Impulslängen-Modulationseinheit unterbrochen. Bedingt durch die Variation der Abbau- aber auch der Aufbauzeiten des Motorstroms werden die Statorwicklungen durch eine impulslängenmodulierte Spannung erregt, deren Frequenz und Einschaltrate im Bereich tiefer Drehzahlen höher liegen als im Bereich hoher Drehzahlen.

Die in der DE-OS 35 25 210 beschriebene Ansteuerschaltung ist jedoch nur vorteilhaft einsetzbar, solange der angesteuerte Motor während des üblichen Betriebs mit einer festgelegten Enddrehzahl läuft. Ensprechend dieser Drehzahl wird die Zeitdauer für die Unterbrechung des Motorstroms optimal bestimmt, wobei optimal bedeutet, daß die Zeitdauer so bemessen ist, daß die Motorstromeinbrüche und damit die Drehmomentschwankungen möglichst gering sind. Damit letzteres der Fall ist, muß je nach Höhe der Enddrehzahl die Zeitdauer zur Unterbrechung des Motorstroms entsprechend kurz gewählt werden. Im unteren Drehzahlbereich führt dies automatisch zu extrem kurzen Unterbrechungszeiten des Motorstroms bzw. zu einer sehr hohen Schaltfrequenz der Leistungstransistoren des Umrichters. Als Folge der hohen Schaltbeanspruchung der Leistungstransistoren verkürzt sich deren Lebensdauer. Wird andererseits - um diese hohe Schaltrate der Leistungstransistoren im unteren Drehzahlbereich zu verringern - die Zeitdauer zur Unterbrechung des Motorstrom auf eine Drehzahl im mittleren Drehzahlbereich abgestimmt, ergeben sich starke Motorstromeinbrüche und damit eine hohe Drehmomentwelligkeit im oberen Drehzahlbereich. Fazit ist, daß die in der DE-OS 35 25 210 vorgeschlagene Lösung zwar für den speziellen Anwendungsfall brauchbar ist, daß sie jedoch nicht verläßlich arbeitet, wenn die Drehzahl über einen weiten Drehzahlbereich mit großer Genauigkeit geregelt werden soll, wie es beispielsweise beim Antrieb von Druckmaschinen der Fall ist. Hier ist unbedingt dafür Sorge zu tragen, daß bei jeder beliebigen Druckgeschwindigkeit Drehmomentschwankungen weitgehend unterdrückt werden, da sie Passerfehler verursachen und damit zum Druck von Makulatur führen.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Regelung des Motorstroms bei einem bürstenlosen Gleichstrommotor vorzuschlagen, durch welches sowohl die Stromwelligkeit des Motors als auch die Taktfrequenz zur Beaufschlagung der Phasenwicklungen mit Strom auf ein Mindestmaß reduziert werden.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß bei Erreichen des Sollwertes des Motorstroms die schaltbaren Halbleiterventile der beaufschlagten Brückenzweige für eine von der Drehzahl abhängige Zeitdauer t_s ausgeschaltet werden.

In einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, daß im motorischen Betrieb bei Erreichen des Sollwertes des Motorstroms nur ein schaltbares Halbleiterventil der beiden beaufschlagten Brückenzweige ausgeschaltet wird. Durch die geringere Stromwelligkeit wird hier die Verlustleistung und damit die Erwärmung der Halbleiterventile - üblicherweise handelt es sich hierbei um Leistungstransistoren - reduziert, was sich positiv auf die Lebensdauer der Transistoren auswirkt.

Ein weiterer Vorteil, der sich aus dieser Ausführungsform ergibt, betrifft die erhebliche Geräuschreduktion des Motors während des motorischen Betriebs, also der üblichen Zweckbestimmung des Motors. Die Ursache für die Geräuschminderung liegt darin, daß bei Abschalten nur eines der beiden Leistungstransistoren der beaufschlagten Brückenzweige die am Motor anliegende Spannung um die Hälfte reduziert wird: die getaktete Phasenwicklung liegt nun entweder an der Spannung 0 Volt oder an der Betriebsspannung U_B der Gleichspannungsquelle. Desweiteren wird in vorteilhafter Weise außerdem der Effektivstrom im Kondensator verringert.

Während im motorischen Betrieb nur ein schaltbares Halbleiterventil der mit Strom beaufschlagten Brückenzweige getaktet wird, werden in einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens im generatorischen Betrieb die Halbleiterventile beider Brückenzweige bei Erreichen des Sollwertes des Motorstrom ausgeschaltet. Alternativ zur Vorgabe der drehzahlabhängigen Zeitdauer für die Unterbrechung des Motorstroms kann die Stromregelung mittels eines 2-Punkt-Stromreglers erfolgen, da im generatorischen Betrieb der in die Spannungsquelle zurückfließende Strom von der Einfachstrommessung im Gleichspannungs-Zwischenkreis erfaßt wird, der Motorstrom also auch während des Stromabbaus bekannt ist.

Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigt

Fig. 1 die Schaltung des Antriebs gemäß einer Ausführungsform im motorischen Betrieb des erfindungsgemäßen Verfahrens,

Fig. 1a während des Stromaufbaus,

Fig. 1b während des Stromabbaus,

Fig. 1c den Stromverlauf in einer Phasenwicklung im unteren Drehzahlbereich für den motorischen Betrieb,

Fig. 1d den Stromverlauf in einer Phasenwicklung im oberen Drehzahlbereich für den motorischen Betrieb,

Fig. 1e den Stromverlauf im Gleichspannungs-Zwischenkreis für den motorischen Betrieb,

Fig. 2a den Stromverlauf in einer Phasenwicklung für den generatorischen Betrieb,

Fig. 2b den Stromverlauf im Gleichspannungs-Zwischenkreis für den generatorischen Betrieb,

Fig. 3 ein Blockschaltbild eines Gleichstromantriebs entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren und

Fig. 4 ein Flußdiagramm für die Ansteuerung der Sperre.

In den Fig. 1a und 1b ist eine Schaltung des Antriebs gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens im motorischen Betrieb dargestellt. Fig. 1a zeigt die Schaltung während des Stromaufbaus, in Fig. 1b ist die Schaltung während des Stromabbaus dargestellt. Der Motor 1, der als Ersatzschaltbild durch den Widerstand R, die Induktivität L und eine Wechselspannungquelle dargestellt ist, wird über den Gleichspannungs-Zwischenkreis-Umrichter (Umrichter) 2 angesteuert. Die einzelnen Brückenzweige des Umrichters 2 werden von jeweils einem Leistungstransistor Tr1 bis Tr 4 mit parallel geschalteter Freilaufdiode V1 bis V4 gebildet. Die Regelung des Motorstroms I_M auf einen vorgegebenen Sollwert erfolgte bisher in bekannter Weise in beiden Betriebsarten durch das Ein- und Ausschalten zweier Transistoren, die in diagonalen Brückenzweigen angeordnet sind. Die Transistoren werden jeweils dann ein- bzw. ausgeschaltet, wenn der Motorstrom einen unteren bzw. einen oberen Stromgrenzwert erreicht. Um eine exakte Stromregelung des oben beschriebenen 2-Punkt-Reglers sicherzustellen, muß der Motorstrom in jedem Augenblick bekannt sein. Hierzu ist es unerläßlich den Motorstrom I_M in jeder einzelnen Phasenwicklung zu messen. Um Stromschwankungen der Gleichspannungsquelle 4 zu erkennen, sollte auch bei dieser sogenannten Mehrfachstrommessung nicht auf eine zusätzliche Messung des Stroms I_ZK im Gleichspannungs-Zwischenkreis 5 verzichtet werden.

Um die Mehrkosten einzusparen, die durch die Verwendung mehrerer Strommeßeinrichtungen 4 verursacht werden, baut das erfindungsgemäße Verfahren auf einer Einfachstrommessung im Gleichspannungs-Zwischenkreis 5 auf. Eine für die Strommessung geeignete Meßeinrichtung 4 ist in der DE-OS 37 08 892 beschrieben.

Allerdings treten bei der Einfachstrommessung im Gleichspannungs-Zwischenkreis 5 bei Taktung nur eines Transistores während des motorischen Betriebs Probleme auf: zwar ist der Anstieg des Motorstroms I_M bei Schaltung der Transistoren Tr1 und Tr4 in den leitenden Zustand identisch mit dem Strom, der im Gleichspannungs-Zwischenkreis 5 gemessen wird, jedoch erfaßt die Meßeinrichtung 4 nicht den sich abbauenden Strom, wenn der Transistor Tr1 bzw. Tr4 bei Erreichen des Motorstrom-Sollwetes I_Ref in den Sperrzustand gesteuert werden. Der von der Meßeinrichtung 4 im Gleichspannungs-Zwischenkreis 5 gemessene Strom I_ZK ist in Fig. 1e dargestellt. Die entsprechende Schaltung während des Stromabbaus zeigt Fig. 1b.

Erreicht der Motorstrom I_M einen oberen Grenzwert I_Ref wird nur einer der beiden Transistoren - hier der Transistor Tr4 - ausgeschaltet. Der Motorstrom I_M baut sich über den Transistor Tr1 und die Freilaufdiode V3, die dem Transistor Tr3 parallel geschaltet ist, ab. Diese Art der Ansteuerung zeigt keinerlei Auswirkungen auf den zeitlichen Verlauf des Stromanstiegs, jedoch wird die Abbauzeit des Stroms größer, da der Freilaufstrom aus der Induktivität L über einen Stromkreis fließt, der über den Transistor Tr1 und die Freilaufdiode V3 geschlossen wird.

Die Fig. 1c und 1d zeigen den Verlauf des Motorstroms I_M, der sich bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens einstellt. Während die Stromaufbauzeit bei steigender Motordrehzahl länger wird, erfolgt der Abbau des Motorstroms I_M infolge der größer werdenden Gegenspannung mit steigender Drehzahl schneller, die Stromabbauzeit nimmt mit steigender Drehzahl ab. Erfindungsgemäß wird die "Aus"-zeit für die den Motorstrom leitenden Transistoren in Abhängigkeit von der Drehzahl festgelegt. Die "Aus"-zeit ist also über den gesamten Drehzahlbereich variabel und so bemessen, daß sowohl die Welligkeit des Motorstroms I_M und damit des Drehmoments als auch die Schaltfrequenz möglichst gering sind. In Fig. 1c, die den Stromverlauf im unteren Drehzahlbereich zeigt, ist die "Aus"-zeit größer gewählt als in Fig. 1d, die den Stromverlauf im oberen Drehzahlbereich skizziert. Die Festsetzung der "Aus"-zeiten t₁ bzw. t₂ trägt der zuvor beschriebenen reziproken Abhängigkeit der Stromabbauzeit von der Drehzahl Rechnung.

In Fig. 2a ist der Verlauf des Motorstroms I_M in einer Phasenwicklung, in Fig. 2b der gleichzeitig gemessene Strom I_ZK im Gleichspannungs-Zwischenkreis 5 für den generatorischen Betrieb dargestellt. Da der sich abbauende Motorstrom I_M im generatorischen Betrieb bei Abschalten der Transistoren über die Meßeinrichtung 4 in die Gleichspannungsquelle 3 zurückfließt, stimmt der im Gleichspannungs-Zwischenkreis 5 gemessene Strom I_ZK mit dem Motorstrom I_M jederzeit überein. Daher ist es hier auch weiterhin möglich, den Motorstrom I_M innerhalb der beiden festgelegten Stromgrenzwerte mittels eines Zwei-Punkt-Reglers zu regeln.

In Fig. 4 ist ein Blockschaltbild eines Gleichstromantriebs zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Der Gleichstromantrieb weist das Ersatzschaltbild eines bürstenlosen Gleichstrommotors 1 mit permanent magnetischem Rotor und drei Phasenwicklungen auf. Dem Gleichstrommotor 1 ist in bekannter Weise ein Rotorlagegeber 6 zugeordnet, der die die Kommutierungszeitpunkte bestimmenden Kommutierungssignale liefert. Der Gleichspannungs-Zwischenkreis-Umrichter 2 des Gleichstrommotors 1 besteht aus einem netzseitigen Gleichrichtermodul 8 und einer maschinenseitigen Leistungsstufe 7. Die Leistungsstufe 7 ist als dreiphasige Drehstrombrücke aufgebaut. Im Gleichspannungs-Zwischenkreis 5 mit eingeprägter Gleichspannung U_ZK wird mittels einer Strommeßeinrichtung 4 der Strom im Gleichspannungs-Zwischenkreis 5 potentialfrei gemessen (Einfachstrommessung im Gleichspannungs-Zwischenkreis 5).

Die digitalen Signale des Rotorlagegebers 6 dienen als Drehzahl-Istwert und werden von der Drehzahl-Istwert-Aufbereitung (D/A Wandler) 9 in eine analoge Spannung umgesetzt. Da kein externer Tacho zur Drehzahl-Istwert-Erfassung notwendig ist, stellt dies eine sehr kostengünstige Lösung dar. Der Drehzahl-Sollwert wird von der Sollwertvorgabe 10 zur Verfügung gestellt.

Die Drehzahlregelung erfolgt in bekannter Weise mittels eines Drehzahlreglers 11 (üblicherweise ein PI-Regler), einer Strombegrenzung 12 und einem Betragsbildner 13. Die Drehzahlregelung liefert den Sollwert des Motorstroms für die der Drehzahlregelung unterlagerte Stromregelung.

Der Istwert des Motorstroms wird, wie bereits beschrieben, mittels einer Strommeßeinrichtung 4 im Gleichspannungs-Zwischenkreis 5 gemessen. Im generatorischen Betrieb arbeitet der Stromregler 14 als 2-Punkt-Stromregler. Erreicht der Motorstrom die obere Grenze des Stromregler-Hysteresebandes, werden die Leistungstransistoren der Leistungsstufe 7, die entsprechend den Signalen der Steuerlogik 15 und der Drehrichtungsumsteuerung 16 angesteuert werden, ausgeschaltet, bei Unterschreiten der unteren Grenze des Stromregler-Hysteresbandes werden sie wieder eingeschaltet.

Da der Stromregelung wegen des Betragsbildners 13 stets eine positive Ausgangsspannung zugeführt wird, wird über die Polaritätserkennung 19 der Drehrichtungsumsteuerung 16 ein Polaritätswechsel signalisiert. Die Drehrichtungsumsteuerung 16 veranlaßt dann die entsprechende Umsteuerung der Leistungstransistoren der Leistungsstufe 7 in die andere Betriebsart. Die Verknüpfung von Drehrichtungsumsteuerung 16 und Leistungsstufe 7 erfolgt über die Treiberstufe 17.

Die Steuerelektronik 18 erhält als Eingangssignale die Information über die Solldrehrichtung von der Polaritätserkennung 19 und die Signale des Rotorgebers, aus denen Istdrehzahl und Istdrehrichtung ermittelt werden. In der Steuerelektronik 18 wird mittels dieser Informationen die "Aus"-zeit t_s ermittelt.

Die berechnete Stromregler-Auszeit wird in die Register des Zeitgebers 21 eingeschrieben. über die Steuerleitung 22 erhält der Stromregler 14 von der Steuerelektronik 18 Information über die jeweilige Betriebsart; beispielsweise liegt am Stromregler 14 im generatorischen Betrieb logisch "1" und im motorischen Betrieb logisch "0" an.

Ist die Steuerleitung 22 auf "0" gesetzt, arbeitet der Stromregler 14 praktisch hysteresefrei. Ein Signal zur Taktung nur eines der beiden Halbleiterventile des beaufschlagten Brückenzweiges gelangt zur Treiberstufe 17. Ein "Aus"-signal des Stromreglers über die Steuerleitung 23 triggert den Zeitgeber 21. Das Triggersignal wird mit dem Ausgangssignal des Zeitgebers 21 auf das Oder-Glied 24 gegeben. Entsprechend der berechneten "Aus"-zeit t_s wird jeweils einer der beiden Transistoren der beaufschlagten Brückenzweige bei Erreichen des Motorstrom-Sollwertes I_ref ausgeschaltet.

Ist die Datenleitung 22 auf "1" gesetzt, wird die "Aus"-zeit t_s = 0 in den Zeitgeber 21 gegeben. Der Stromregler 14 arbeitet nun als 2-Punkt-Stromregler mit Hysterese: beide Transistoren der beaufschlagten Brückenzweige werden bei Erreichen des oberen Stromgrenzwertes ausgeschaltet und bei Erreichen des unteren Stromgrenzwertes eingeschaltet.

Fig. 5 zeigt ein Flußdiagramm des Programms der Steuerelektronik 18 zum Ermitteln der "Aus"-zeit und zum Laden des Zeitgebers 21. Bei 25 wird das Programm gestartet, wenn ein neuer Drehzahl-Istwert zur Verfügung steht. Im Programmteil 26 wird entschieden, ob motorischer Betrieb vorliegt oder nicht. Für den motorischen Betrieb wird bei 27 der motorische Regler eingeschaltet und bei 29 wird die errechnete "Aus"-zeit in den Zeitgeber 21 geladen. Wird bei 26 festgelegt, daß generatorischer Betrieb vorliegt, wird entsprechend Programmpunkt 30 der generatorische Stromregler (2-Punkt-Stromregler) eingeschaltet.

Bezugszeichenliste

1 Gleichstrommotor
2 Gleichspannungs-Zwischenkreis-Umrichter (Umrichter)
3 Gleichspannungsquelle
4 Strommeßeinrichtung
5 Gleichspannungs-Zwischenkreis
6 Rotorlagegeber
7 Leistungsstufe
8 Gleichrichtermodul
9 Drehzahl-Istwert-Aufbereitung (DAC)
10 Sollwert-Vorgabe
11 Drehzahlregler
12 Strombegrenzung
13 Betragsbildner
14 Stromregler
15 Steuerlogik
16 Drehrichtungsumsteuerung
17 Treiberstufe
18 Steuerelektronik
19 Polaritätserkennung
20 Sperre
21 Zeitgeber
22 Steuerleitung
23 Steuerleitung
24 ODER-Glied

Claims

1. Verfahren zur Regelung des Motorstroms in den Phasenwicklungen eines bürstenlosen Gleichstrommotors, wobei die einzelnen Phasenwicklungen über einen elektronisch steuerbaren Gleichspannungs-Zwischenkreis-Umrichter (Umrichter) mit schaltbaren Halbleiterventilen und diesen parallel geschalteten Freilaufdioden in den einzelnen Brückenzweigen bestromt werden, und die Istwert-Erfassung des Motorstrom ausschließlich im Gleichspannungs-Zwischenkreis erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß bei Erreichen des Sollwertes des Motorstroms (I_M) die schaltbaren Halbleiterventile (Tr1, . . ., Tr4) der beaufschlagten Brückenzweige für eine von der Drehzahl abhängige Zeitdauer (t_s) ausgeschaltet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im motorischen Betrieb bei Erreichen des Sollwertes des Motorstroms (I_M) nur ein schaltbares Halbleiterventil (Tr1, . . ., Tr4) der beaufschlagten Brückenzweige ausgeschaltet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im generatorischen Betrieb bei Erreichen des Sollwertes des Motorstroms (I_M) beide schaltbaren Halbleiterventile (Tr1, Tr4 bzw. Tr2, Tr3) in den beaufschlagten Brückenzweigen ausgeschaltet werden.