DE4100864A1 - Verfahren zum ansteuern eines elektrischen synchronmotors - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ansteuern eines elektrischen Synchronmotors mit einem Wicklungen aufweisenden Stator und einem Rotor, dessen Drehwinkellage von einem Winkelgeber erfaßt wird, wobei in den Stator ein magnetisches Drehfeld eingeprägt wird, indem an die Wicklungen des Stators in Abhängigkeit der von dem Winkelgeber erfaßten Drehwinkellage des Rotors zueinander phasenverschobene und miteinander ein Drehspannungssystem aufbauende Wechselspannungen angelegt werden.

Die vorliegende Erfindung betrifft ferner einen elektrischen Synchronmotor mit einem Wicklungen aufweisenden Stator, einem Rotor, einem Winkelgeber zum Erfassen der momentanen Drehwinkellage des Rotors und mit einer Steuerungsschaltung zum Einprägen eines magnetischen Drehfelds in dem Stator durch Anlegen mehrerer zueinander phasenverschobener und ein Drehspannungssystem bildender Wechselspannungen an die Statorwicklungen in Abhängigkeit der Drehwinkellage des Rotors, zum Durchfuhren des obengenannten Verfahrens.

Derartige Synchronmotoren haben in letzter Zeit an Bedeutung gewonnen und werden verzugsweise dort eingesetzt, wo ein Regelverhalten ähnlich dem von Gleichstrommoteren erwünscht ist, jedoch die bei Gleichstrommotoren vorhandenen Bürsten vermieden werden sollen.

Bei dieser Art von Synchronmotoren wird die Drehzahl wie bei Gleichstrommotoren über die Höhe der angelegten Spannungen geregelt und nicht wie bei herkömmlichen Synchronmotoren über die Frequenz. Entsprechend werden sie in der Literatur als "bürstenlose" oder "elektrisch kommutierte Gleichstrommotore" bezeichnet.

Bei den bisher bekannten elektrisch kommutierten Gleichstrommotoren erweist sich die noch ungenügend hohe Drehmomentenausbeute als nachteilig. Zusätzlich erweisen sich außerdem die in der Regel vorhandenen hohen Blindleistungsanteile als nachteilig.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren für einen Synchronmotor anzugeben, mit dessen Hilfe mit geringem Aufwand ein verbessertes Drehmoment erzielt werden kann, sowie einen Synchronmotor anzugeben, auf dem das Verfahren ausgeführt werden kann.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst, indem das eingangs genannte Verfahren derart erweitert wird, daß bei Belastung des Motors die Phasenlage des Drehspannungssystems in Abhängigkeit der Motorbelastung gegenüber der Phasentage des Drehspannungssystems im Leerlaufbetrieb des Motors verschoben wird, sowie dadurch, daß der eingangs genannte Synchronmotor um das Merkmal einer die Motorlast erfassenden Meßeinrichtung erweitert wird, sowie dadurch, daß die Steuerungsschaltung die Phasentage des Drehspannungssystems in Abhängigkeit der erfaßten Motorlast verschiebt.

Aus der Kenntnis heraus, daß der Lastwinkel zwischen angelegter Spannung und resultierendem Strom in jeder Wicklung des Stators von der momentanen Motorbelastung beeinflußt wird, berücksichtigt das erfindungsgemäße Verfahren die Motorbelastung und führt abhängig davon eine Phasenverschiebung bei den an den Statorwicklungen angelegten Wechselspannungen bzw. bei dem von diesen Spannungen aufgebauten Drehspannungssystem durch. Damit ist es möglich, die in den Wicklungen fließenden Ströme und die mit den Strömen in Phase liegenden magnetischen Felder in ihrer Phase zu verändern. Somit kann in jedem Belastungsfall eine günstigere Stellung zwischen Rotor und magnetischem Drehfeld erreicht werden. Daneben ist es über die Phasenverschiebung möglich, die Blindleistungsanteile zu reduzieren. Somit muß bei gleicher Wirkleistung weniger Scheinleistung geschaltet werden, was den Einsatz von kleineren, kostengünstigeren Schaltbauteilen zuläßt.

Zur Steigerung der Drehmomentanausbeute im Treibbetrieb ist es günstig, wenn bei steigender Motorlast die Phase des angelegten Drehspannungssystems immer weiter voreilend eingestellt wird. Es gibt jedoch auch Betriebssituationen des Synchronmotors, bei denen eine nacheilende Phasenverschiebung von Vorteil ist, beispielsweise während des Brems- oder während des sogenannten Feldschwächebetriebs.

Die Motorbelastung wird vorzugsweise durch Messen des in die Wicklungen fließenden Laststromes erfaßt. Dieses Meßverfahren bietet sich auf Grund seiner Genauigkeit, Einfachheit und geringen Kosten an. Das Messen des Stromes kann dabei am Gleichspannungszwischenkreis erfolgen, was gegenüber einer Messung in den Wicklungen den Vorteil bietet, daß nur ein Meßfühler benötigt wird.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens können die für die unterschiedlichen Motorbelastungen einzustellenden Phasenverschiebungen als Werte in einem Speicher vorher abgelegt werden. Dies bringt den Vorteil mit sich, daß die Zuordnung zwischen Motorbelastung und Phasenverschiebung bei neuen Betriebsbedingungen leicht geändert werden kann.

Weiterhin wird das Verfahren vorzugsweise mit sinusartig verlaufenden Wechselspannungen zur Ansteuerung der Wicklungen durchgeführt, wodurch gegenüber einer Ansteuerung mit blockförmigen Spannungen ein runderer Motorlauf insbesondere bei niedrigen Drehzahlen und eine genauere Einstellmöglichkeit für die Phase des Drehspannungssystems erhalten wird. Blockförmige Ansteuerung kann verwendet werden, wenn ein besonders einfacher Schaltungsaufbau gewünscht ist, nicht allzu hohe Anforderungen an die Drehmomentenausbeute gestellt werden und die bei blockförmiger Ansteuerung verstärkt auftretenden Blindkomponenten hingenommen werden können.

Die an die Wicklungen angelegten Wechselspannungen werden vorzugsweise von gleich beabstandeten Stützwerten gebildet, wobei der momentan für eine Wechselspannung ausgewählte Stützwert von der momentanen Drehwinkellage des Rotors und der erfaßten Motorlast abhängt. Gegenüber einer kontinuierlichen Erzeugung bietet die Verwendung einzelner Stützwerte den Vorteil, daß diese leicht in einem Speicher abgelegt und bestimmten Kombinationen aus Drehwinkellage und Motorbelastung zugeordnet werden können.

Vorzugsweise werden die Stützwerte dabei pulsweitenmoduliert an die Statorwicklung angelegt. Das bedeutet, daß ein bestimmter Stützwert nicht durch eine bestimmte Amplitude, sondern durch eine bestimmte Pulsweite repräsentiert wird. Dies ist schaltungstechnisch gesehen von Vorteil, da dadurch eine konstante Spannungsquelle lediglich über einen gewissen Zeitraum einer Wicklung zugeschaltet werden muß. Die Zuschaltung der Spannungsquelle an die einzelnen entsprechenden Wicklungen kann über Transistoren erfolgen.

Die pulsweitenmodulierten Stützwerte werden in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform von einem Zeitraster überlagert, so daß jeder Stützwert nicht von einem einzigen Puls, sondern in Form eines Ausgabemusters, bestehend aus mehreren über den zeitlichen Abstand zweier Stützwerte gleich verteilten Pulsen gleicher Pulsweite an die entsprechende Statorwicklung gelegt wird. Die Höhe eines Stützwertes wird somit durch die Summe der Pulsweiten eines Ausgabemusters repräsentiert. Vorteilhaft ist bei dieser Art der Ansteuerung, daß die den Wicklungen zugeführte Energie über den gesamten zwischen zwei Stützwerten liegenden Zeitraum verteilt ist, was zu einem gleichmäßigeren Lauf des Motors beiträgt. Außerdem wird damit erreicht, daß bei stehendem Motor nur sehr kleine Wechselströme in den Statorwicklungen fließen.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel sieht vor, daß ein momentan anzulegender Stützwert aus einem Speicher ausgelesen wird und von der Steuerungsschaltung in Signale zum Ansteuern der entsprechenden Statorwicklung umgesetzt wird. Dies hat den Vorteil, daß jeder Kombination aus Rotorlage und Motorbelastung eine bestimmte Speicheradresse fest zugeordnet werden kann und über diese im gegebenen Zeitpunkt der Stützwert ausgelesen und anschließend in ein elektrisches Signal umgesetzt werden kann. Im Falle pulsweitenmodulierter Stützwerte gibt der gespeicherte Stützwert eine Zeitdauer an, über die eine gegebene Spannung an eine Wicklung angelegt werden muß. Die Anzahl der zu speichernden Stützwerte hängt von dem Auflösungsvermögen des Winkelgebers ab. Ein Umlauf des Rotors kann dabei beispielsweise in 720 Schritte, die im Abstand eines halben Grades aufeinander folgen, unterteilt werden. Auch die Polzahl des Rotors hat Einfluß auf die Anzahl der zu speichernden Stützwerte, da bei höherer Polzahl des Rotors einer einzigen mechanischen Umdrehung des Rotors mehrere elektrische Umdrehungen entsprechen, wobei jede elektrische Umdrehung jedoch durch die gleichen Stützwerte repräsentiert werden kann.

Vorzugsweise umfaßt die Steuerungsschaltung einen Microcontroller, der die in dem Speicher gespeicherten Werte ausliest und in entsprechende Steuersignale umsetzt. Gegenüber einer auch möglichen Verwendung eines normalen Mikroprozessor bietet der Microcontroller den Vorteil, daß er die ausgelesenen Werte direkt in Ansteuersignale beispielsweise zum Schalten von Transistoren umsetzen kann. Ein Microcontroller trägt also zu einer platzsparenden Steuerungsschaltung bei, was insbesondere bei kleinen Motoren wichtig ist. In dem Microcontroller können alle notwendigen Berechnungen durchgeführt werden, insbesondere auch die zum Erfassen der sich bei steigender Motorlast ändernden Zuordnung zwischen Rotorlage und aus zu lesenden Stützwerten.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird sowohl während des Treibens als auch während des Bremsens mindestens der unmittelbar als nächster auszugebende Stützwert jeweils vorberechnet. Dies hat den Vorteil, daß die im Microcontroller zur Vorbereitung der Stützwerte notwendige endliche Verarbeitungsgeschwindigkeit nicht zu verspätet ausgegebenen Stützwerten führt.

Vorzugsweise wird dieser Vorberechnung im Falle des Bremsbetriebes eine Rotorlage zugrunde gelegt, die zum Zeitpunkt der Ausgabe des Stützwertes bereits überschritten ist und im Falle des Treibbetriebes wird eine Rotorlage zugrunde gelegt, die der Rotorlage entspricht, zu der der Stützwert ausgegeben wird. Dadurch wird in vorteilhafter Weise während des Treibbetriebes der für ein maximal treibendes Drehmoment notwendige Stützwert vorberechnet und im Falle des Bremsbetriebes wird ein Stützwert vorberechnet, der keine treibende sondern eine bremsende Wirkung auf den Rotor ausübt. Der Übergang von einem Treib- auf einen Bremsbetrieb wird damit in einfacher Weise durch eine Veränderung der Zuordnung zwischen Stützwerten und Rotorlage erreicht.

Vorzugsweise werden die den Spannungsverlauf kennzeichnenden Stützwerte als Tabelle in dem Speicher abgelegt und diese Tabelle zum Erzeugen der anzulegenden Wechselspannungen periodisch ausgelesen, wobei eine aufgrund einer Laständerung notwendige Phasenverschiebung durch Überspringen einer entsprechenden Anzahl von Stützwerten in der Tabelle erreicht wird. Die Organisation der Stützwerte in Tabellenform bietet den Vorteil, daß zum Auslesen der Stützwerte ein Adreßzeiger lediglich ständig inkrementiert werden muß und eine Phasenverschiebung in einfacher Weise durch Erhöhen oder Erniedrigen des Adreßzeigers erreicht werden kann.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird ein Umstellen zwischen einem Linkslauf und einem Rechtslauf des Motors durch Auslesen der Tabelle in entgegengesetzter Richtung erreicht.

Bevorzugterweise wird bei hohen Drehzahlen des Motors, bei denen die Steuerungsschaltung aufgrund ihrer endlichen Verarbeitungsgeschwindigkeit nicht mehr in der Lage ist, bei der Berechnung eines jeden Stützwertes die aktuelle Motorbelastung zu berücksichtigen, die Motorbelastung für eine Kette aufeinanderfolgender Stützwerte als konstant angenommen. Hierdurch wird erreicht, daß insbesondere das zeitaufwendige Einlesen der momentanen Motorbelastung nicht für jeden Stützwert neu durchgeführt werden muß, sondern für einige Stützwerte beibehalten wird. Bei schnelllaufendem Motor wird sich in der Regel während des Zeitraumes für die Ausgabe einiger Stützwerte die Motorbelastung nur wenig ändern, so daß sich die oben beschriebene Maßnahme kaum nachteilig auf die Drehmomentenausbeute des Motors auswirkt.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform besteht diese Stützwertkette aus jeweils gleichen Stützwerten, bei deren Vorberechnung vorzugsweise die Rotorlage zugrunde gelegt wird, zu welcher der mittlere Stützwert der Kette ausgegeben wird. Durch das Beibehalten eines Stützwertes über mehrere Ausgabepositionen wird der Rechenaufwand für den Microcontroller weiter verringert. Damit kann selbst bei schnelllaufendem Motor ein verhältnismäßig langsamer und kostengünstiger Microcontroller verwendet werden. Das Zugrundelegen der Rotorlage des mittleren Stützwertes der Kette bei der Berechnung der einheitlichen Stützwerte bedeutet eine gute Ausmittelung der angenäherten Stützwerte an die eigentlich auszuwählenden Stützwerte.

Vorteilhafterweise besteht die Kette aus Gruppen von untereinander gleichen Stützwerten, wobei zur Vorberechnung jeder Gruppe die Rotorlage zugrundegelegt wird, zu der der mittlere Stützwert der Gruppe ausgegeben wird. Bei einer derartigen Ausführungsform wird der nachzubildende Sinusverlauf treppenförmig nachgebildet. Dies hat gegenüber einer Vorberechnung, bei der mehrmals hintereinander der gleiche Stützwert ausgegeben wird, den Vorteil, daß der nachzubildende Sinusverlauf trotz Vorberechnung genügend fein angenähert wird, was für einen runden Motorlauf wichtig ist.

Weiter wird das erfindungsgemäße Verfahren vorzugsweise so durchgeführt, daß zur Steigerung der Motordrehzahl auf einen Feldschwächebetrieb umgeschaltet wird, indem die Phasenverschiebung des Drehspannungssystems gegenüber den vorgegebenen Sollwerten so vermindert wird, daß die vom Rotor ausgehende Feldwirkung von dem magnetischen Drehfeld geschwächt wird. Auf diese Weise kann ein Feldschwächebetrieb besonders einfach erreicht werden.

Schließlich wird bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform zur Steigerung der Drehzahl über die bei Orientierung des Drehspannungssystemes an der Rotorlage maximal mögliche Drehzahl hinaus, auf einen Betrieb umgeschaltet, bei dem die vom Winkelgeber gelieferten Signale nicht beachtet werden, sondern die Motordrehzahl von der Frequenz und den proportional zur Frequenz angehobenen Amplituden der angelegten Wechselspannungen bestimmt wird. Auf diese Weise ist es möglich, wahlweise zwischen einen Betrieb nach dem erfindungsgemäßen Verfahren und einem herkömmlichen Synchronmotorbetrieb umzuschalten und damit die Vorteile beider Betriebsarten verfügbar zu haben.

Der erfindungsgemäße elektrische Synchronmotor weist bevorzugtermaßen eine Steuerungsschaltung auf, die so ausgelegt ist, daß sie die Phase des Drehspannungssystems mit zunehmender von der Meßeinrichtung erfaßter Motorlast voreilend einstellt. Damit ist der elektrische Synchronmotor in der Lage, die voreilende Phasenverschiebung bei steigender Motorlast gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren auszuführen.

Weiterhin weist der elektrische Synchronmotor bevorzugterweise eine Meßeinrichtung auf, die eine Strommeßeinrichtung ist, die die in die Statorwicklungen fließende Lastströme erfaßt. Eine derartige Strommeßeinrichtung ist leicht zu realisieren, kostengünstig und genau.

Eine besonders bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen elektrischen Synchronmotors verwendet einen permanenterregten Rotor. Obgleich es auch denkbar ist, elektrisch erregte Rotoren zu verwenden, bieten permanenterregte Rotoren den Vorteil, daß keine Bürsten benötigt werden, daher keine Kühlung des Rotors aufgrund von Reibungswärme des Rotors erforderlich ist und damit eine gekapselte Bauweise für den Motor möglich ist. Auch sind die zur Zeit mit permanenterregten Rotoren erzielbaren Feldstärken noch höher als die mit elektrisch erregten Rohren erzielbaren Feldstärken.

Vorzugsweise ist der Winkelgeber so beschaffen, daß er die Drehwinkellage des Rotors mit hoher Auslösung erfaßt, vorzugsweise auf ein halbes Grad genau. Bei einer hohen Auflösung der Drehwinkellage des Rotors können feine Phasenverschiebungen ausgeführt werden.

Vorzugsweise umfaßt die Steuerung des erfindungsgemäßen elektrischen Synchronmotors einen Speicher, der Daten speichert, die den Zusammenhang zwischen der gemessenen Motorlast und der einzustellenden Phase des Drehspannungssystems angeben. Das Ablegen des funktionalen Zusammenhangs zwischen Motorbelastung und Phasenverschiebung in einem Speicher ermöglicht einen einfachen Aufbau der Steuerungsschaltung sowie eine schnelle Umstellung auf veränderte Betriebsbedingungen.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des elektrischen Synchronmotors weist die Steuerungsschaltung einen Microcontroller auf, der Daten aus dem Speicher ausliest und in entsprechende Schaltsignale umsetzt. Die Verwendung eines Microcontrollers gestattet einen platz- und kostensparenden Aufbau der Steuerungsschaltung.

Es folgt eine Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens und des erfindungsgemäßen elektrischen Synchronmotors. Die beiliegenden Zeichnungen dienen dem besseren Verständnis. Dabei zeigen im einzelnen:

Fig. 1 eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Synchronmotors,

Fig. 2 eine schematische Darstellung der verwendeten Pulsweitenmodulation,

Fig. 3a-d ein Beispiel, wie die Stützwerte in einem Speicher organisiert sein können und wie eine Phasenverschiebung bewirkt wird.

In Fig. 1 ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen elektrischen Synchronmotors zum Anwenden des erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt. Der Synchronmotor weist einen Wicklungen 2 aufweisenden Stator 1, einen permanent erregten Rotor 3, einen die momentane Rotorposition anzeigenden Winkelgeber 4, eine Steuerungsschaltung 5 sowie eine Gleichrichterschaltung 6 mit parallelgeschalteten Kondensator 7 auf. Die auf dem Stator 1 sitzenden Wicklungen 2 werden von der Steuerungsschaltung 5 so angesteuert, daß sich in den Stator ein magnetisches Drehfeld aufgrund eines angelegten Drehspannungssystems aufbaut. Die Ansteuerung der Wicklungen geschieht dabei in Abhängigkeit der vom optischen Winkelgeber 4 gemeldeten momentanen Rotorposition. Der Rotorlagegeber erfaßt die Rotorlage mit einer Genauigkeit von 360 Schritten pro Umdrehung, d. h. die Rotorlage wird auf ein Grad genau erfaßt. Ist ein besonders weicher Lauf des Motors erwünscht, so sollte die Auflösung des Winkelgebers jedoch 720 Rotorlagen pro Umdrehung betragen. Die an den Wicklungen anliegenden Spannungen werden bei dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel dem 380 Volt Dreiphasennetz mit nachgeschalteter Gleichrichtung entnommen. Die Spannung wird den einzelnen Wicklungen über die Schalttransistoren 9a-c und 10a-c zugeführt. Die Dioden 11 dienen zum Schutz der Schaltung vor Überspannungen während der Umschaltzeiten der Transistoren. Die durch die Verschaltung der Transistoren gebildete Drehstrombrücke 13 wird vom Microcontroller 8 gesteuert. Neben den Eingangssignalen, die vom Winkelgeber 4 geliefert werden, erhält der Microcontroller zusätzlich von der Motorlasterfassungseinrichtung 14 Informationen über die momentan herrschende Motorbelastung. Der Microcontroller steuert die Wicklungen 2 mit pulsweitenmodulierten Sinusspannungen an. Der Sinusverlauf ist in Form von Stützwerten im Speicher 15 gespeichert.

Im folgenden wird nun beschrieben, wie der Synchronmotor prinzipiell als elektrisch kommutierter Gleichstrommotor betrieben werden kann. Zum Antreiben des Rotors 3 in Fig. 1 werden an die Wicklungen 2 des Stators 1 jeweils zueinander phasenverschobene Spannungen angelegt. Die Spannungen weisen im Falle des dargestellten Dreiphasenmotors eine Phasenverschiebung von jeweils 120 Grad zueinander auf. Durch die Wechselwirkung zwischen dem Permanentfeld des Rotors und dem oben beschriebenen Drehfeld im Stator entsteht ein Drehmoment. Die bei einer Drehung des Rotors erforderliche Weiterschaltung der stromführenden Statorwicklungsabschnitte (Kommutierung) steuert der Microcontroller. Von dem Winkelgeber 4 wird die aktuelle Position des Rotors 3 ständig an den Microcontroller 8 gemeldet. Der Winkelgeber 4 erfaßt dabei die Rotorlage auf ein Grad genau, wozu der Statorumfang in 360 gleichgroße Detektionsabschnitte zerlegt sein muß. Die Ansteuerung der Wicklungen 2 erfolgt über die Steuerungsschaltung 5 in Abhängigkeit der vom Winkelgeber 4 gemeldeten Rotorlage. Wie oben bereits erwähnt, erfolgt die Ansteuerung dabei pulsweitenmoduliert. Den einzelnen pulsweitenmodulierten Stützwerten ist nochmals ein Zeitraster überlagert. Vom Microcontroller 8 werden daher jeweils Spannungen gleicher Höhe für bestimmte Zeiten an die Wicklungen 2 gelegt. Der Microcontroller 8 steuert dazu die Transistoren der Drehstrombrücke 13. Die aus den Transistoren aufgebaute Dreiphasenbrücke weist drei Zweige auf, mit je einem oberen (9a-c) und einem unteren (10a-c) Transistor, von denen jeweils einer sperrt, während der andere stromführend ist.

Das Verhältnis der Einschaltdauer/Ausschaltdauer eines Zweiges bestimmt die Höhe der Ausgangsspannung und damit bei angelegter Motorlast die Höhe des Ausgangsstromes.

Dieses Schaltdauerverhältnis ist die oben genannte Pulsweite.

Um auch bei sich ändernden Lastmomenten des Motors stets eine hohe Drehmomentenausbeute zu erzielen, muß die Phase des angelegten Drehspannungssystems entsprechend der sich ändernden Motorbelastung variiert werden. Die Motorbelastung wird dabei über die Motorbelastungserfassungseinrichtung 14 an den Microcontroller 8 gemeldet. Die Motorbelastungserfassungseinrichtung 14 mißt dazu die in die Wicklungen 2 fließenden Lastströme. Die Messung erfolgt dabei unmittelbar nach dem Kondensator 7.

Im allgemeinen muß bei steigender Motorbelastung das Drehspannungssystem immer weiter voreilend eingestellt werden. Dieser Zusammenhang ist der Fig. 3d zu entnehmen. Bei steigendem Laststrom wird eine immer weiter voreilende Phasenverschiebung benötigt, um ein weiterhin hohes Motordrehmoment zu bewirken. Dieser Zusammenhang wird später noch genauer erläutert. Die den Wicklungen des Synchronmotors zugeführten Wechselspannungen u, v, w haben sinusförmigen Verlauf, wie dies den Fig. 2a bzw. 3a zu entnehmen ist. Diese Spannungen werden jedoch in Form von pulsweitenmodulierten Stützwerten mit überlagertem Zeitraster an die Wicklungen angelegt. Fig. 2 erläutert die gewählte Modulation genauer. Der nachzubildende sinusförmige Spannungsverlauf 16 wird in Form von aufeinanderfolgenden Pulsausgabemustern 19 an die Wicklungen des Stators angelegt. Die Pulsausgabemuster 19 sind in folgender Weise von der Sinuskurve 16 ableitbar. Die Sinuskurve 16 wird durch die Stützwerte 17 nachgebildet. Diese werden dann einer Pulsweitenmodulation unterzogen, wodurch Stützwerte unterschiedlicher Amplitude durch Pulse gleicher Amplitude, jedoch unterschiedlicher Zeitdauer entstehen. Diesen pulsweitenmodulierten Stützwerten wird nochmals ein Zeitraster überlagert, so daß ein Puls in mehrere kleinere gleiche Pulse zerhackt wird. Damit unterscheiden sich zwei verschiedene Stützwerte lediglich in dem Tastverhältnis ihrer Ausgabemuster 19. Auch ein Vergrößern oder Verkleinern der an die Wicklungen angelegten Wechselspannungen zum Erhöhen oder Erniedrigen der Motordrehzahl wird über das Tastverhältnis der Ausgabemuster 19 bewirkt. Zwischen einer bestimmten Lage des Rotors 3 in Fig. 1 und den an den Wicklungen 2 des Stators 1 angelegten Ausgabemustern besteht damit eine feste Zuordnung. Jedes Ausgabemuster wird durch einen charakterisierenden Wert in dem Speicher 15 gespeichert. Der Microcontroller 8 liest in Antwort auf eine vom Winkelgeber 4 gemeldete Rotorlage und eine von der Motorbelastungserfassungseinrichtung 14 gemeldete Motorbelastung die entsprechenden Werte aus dem Speicher 15 aus und setzt sie in Schaltsignale für die Transistoren 9a-c und 10a-c um. Der in Antwort auf die an eine Wicklung angelegten Ausgabemuster entstehende sinusförmig verlaufende Strom I ist in Fig. 2 über dem Pulsausgabemuster 19 eingetragen. Der Strom I steigt während der positiven Anteile der einzelnen Pulse an und nimmt während der negativen Anteile ab. Bei einem großen positiven Stützwert ist dabei die Zeit für den Anstieg lang und die Zeit für den Stromabfall kurz, so daß ein Ansteigen des Stromes resultiert. Diese Verhältnisse drehen sich bei negativen Stützwerten gerade um. Wird der Sinusverlauf 16 durch genügend viele Stützwerte 17 repräsentiert und wird jeder Stützwert als feines Ausgabemuster an die Wicklung angelegt, so läßt sich der gewünschte Sinusverlauf beliebig fein annähern.

Anhand der Fig. 3a-d wird erläutert, wie die Stützwerte als Tabelle in einem Speicher abgelegt sein können und in welcher Weise eine Phasenverschiebung vorgenommen werden kann. Zum besseren Verständnis wurden die Wechselspannungen u, v, w in Fig. 3a nicht in pulsweitenmodulierter Form gezeichnet. Im folgenden wird weiterhin davon ausgegangen, daß der Winkelgeber 4 aus Fig. 1 die Rotorlage auf 1 Grad genau erfaßt. Bei Verwendung eines zweipoligen Rotors wird während eines Rotorumlaufs eine volle Sinusschwingung an jede Wicklung angelegt, die dabei von 360 Stützwerten nachgebildet wird.

In Fig. 3b sind die 360 Stützwerte in einem schematisch dargestellten Speicher abgelegt. Aus diesem Speicher werden zyklisch jeweils drei Stützwerte für die drei Wicklungen ausgelesen. Die Stützwerte unterscheiden sich dabei gemäß der Phasenverschiebung der einzelnen Spannungen u, v und w.

Wie erwähnt, zeigt Fig. 3d den schematischen Zusammenhang zwischen steigender Motorbelastung und zusätzlich notwendiger Phasenverschiebung. Ausgehend von einem Leerlauffall L läuft der Graph bei steigender Motorbelastung aus dem Ursprung auf einen Belastungspunkt B zu. Das bedeutet, daß bei der unter dem Punkt B liegenden Motorbelastung eine zusätzliche Phasenverschiebung von beispielsweise 2 Grad an dem Drehspannungssystem vorgenommen werden muß, um weiterhin ein hohes Drehmoment aufrechterhalten zu können. Der funktionale Zusammenhang der Fig. 3d muß ebenfalls in einem Speicher abgelegt sein, damit der Microcontroller die jeweils richtige Phasenverschiebung ausführen kann.

In Fig. 3c sind jeweils die gleichzeitig auszulesenden Stützwerte u, v, w in Tabellenform angeschrieben. Ausgehend von dem Leerlauffall L der Fig. 3d werden bei der ersten gemeldeten Rotorlage die Stützwerte 0, 120 und 240 ausgelesen, bei der nächsten Rotorlage die Stützwerte 1, 121 und 241 usw. Wird der Motor nun mit einem bestimmten Lastmoment beaufschlagt, d. h. arbeitet er beispielsweise im Belastungsfall B der Fig. 3d, so müssen einige Stützwerte übersprungen werden, um somit ein Voreilen der Phase des Drehspannungssystems zu erreichen. Wie man in Fig. 3c erkennt, weisen die nächsten drei auszulesenden Stützwerte nicht die Werte 2, 122 und 242 auf, sondern entsprechend einer zusätzlichen Phasenverschiebung um 2 Grad die Stützwerte 4, 124 und 244. Bleibt die Motorbelastung bei diesem Belastungsfall B weiterhin bestehen, so werden bei der nächsten Rotorlage die Stützwerte 5, 125 und 245 ausgegeben. Wird der Motor nun wieder im Leerlauf betrieben, so muß die Phase wieder zurückgenommen werden. Statt als nächstes die Stützwerte 6, 126 und 246 auszulesen, werden die Stützwerte 4, 124 und 244 entsprechend einer Phasenverschiebung von - 2 Grad ausgelesen. Nur in dieser Weise ist eine ständige Anpassung an die Motorbelastung gewährleistet. Wurde der Motor in dem eben erläuterten Beispiel im Vorwärtsbetrieb betrieben, so kann er durch Auslesen der in Fig. 3c ausgegebenen Tabelle in entgegengesetzter Richtung im Rückwärtsbetrieb gefahren werden. Bezüglich der abzuspeichernden Stützwerte ist zu beachten, daß während einer vollen Sinusschwingung jeder Stützwert natürlich zweimal auftritt. Gespeichert werden muß er jedoch nur einmal, was in dem oben angegebenen Beispiel bedeutet, daß lediglich 180 und nicht 360 Stützwerte gespeichert sein müssen.

Da der Microcontroller 8 aus Fig. 1 zum Umsetzen der vom Winkelgeber 4 und der Motorbelastungserfassungseinrichtung 14 gelieferten Information in entsprechende Schaltsignale für die Transistoren 9a-c und 10a-c eine gewisse Verarbeitungszeit benötigt, würden insbesondere bei schnellaufendem Motor die entsprechenden Stützwerte immer verspätet an den Statorwicklungen anliegen. Um diesem vorzubeugen, berechnet der Microcontroller die nächste Rotorlage jeweils bereits vor. Damit ist sichergestellt, daß die zu einer bestimmten Rotorlage gehörenden Stützwerte im richtigen Zeitpunkt ausgegeben werden können. Bezüglich Fig. 3c bedeutet dies, daß der Microcontroller bereits, während die zu den Stützwerten 0, 120 und 240 gehörenden Schaltsignale an den Transistoren anliegen, die Stützwerte 1, 121 und 241 für die nächste Rotorlage aus dem Speicher ausliest und soweit aufbereitet, daß sie zu Beginn der nächsten Rotorlage an die Wicklungen angelegt werden können. Diese Vorberechnung wird im Rechts- und Linkstreibebetrieb angewendet.

Auch beim Bremsen des Motors erfolgt zur Kompensation der endlichen Verarbeitungsgeschwindigkeit des Microcontrollers eine Vorberechnung des als nächstes auszugebenden Stützwertes. Allerdings wird bei dieser Vorberechnung nicht die Rotorlage zugrundegelegt, zu der ein vorberechneter Stützwert schließlich ausgegeben wird, sondern eine zeitlich frühere Rotorlage. Dadurch kann eine Bremswirkung erzielt werden. Vorzugsweise wird daher zur Berechnung des nächsten Stützwertes die gerade aktuelle Rotorlage zugrunde gelegt. Anhand der Tabelle der Fig. 3c bedeutet dies, daß bei einer Rotorlage, bei der eigentlich bereits die Stützwerte 1, 121 und 241 auszugeben wären, statt dessen die Stützwerte 0, 120 und 240 an den Wicklungen anliegen.

Wird der Motor bei hohen Drehzahlen betrieben, so kann der Fall auftreten, daß der Microcontroller 8 trotz der erwähnten Vorberechnung der Stützwerte nicht mit den vom Winkelgeber 4 der Fig. 1 gelieferten Signale mithalten kann. In diesem Fall schaltet der Microcontroller auf einen Betrieb um, bei dem er nicht mehr zur Vorberechnung eines jeden Stützwertes die aktuelle Motorbelastung überprüft, sondern diese für mehrere Stützwerte als konstant annimmt. Damit muß das zeitaufwendige Einlesen der momentanen Motorbelastung bzw. des momentanen Laststromes nurmehr bei beispielweise jedem zweiten, achten, sechzehnten usw. Stützwert erfolgen. Diese Kette von Stützwerten, für die alle dieselbe Motorbelastung angenommen wird, kann dann gemeinsam vorberechnet werden und dann hintereinander zu den entsprechenden Rotorlagen ausgegeben werden. Falls eine nicht allzu feine Annäherung an den nachzubildenden sinusförmigen Spannungsverlauf gefordert ist, können mehrmals hintereinander die gleichen Stützwerte bzw. Pulsausgabemuster ausgegeben werden. Von diesen aufeinanderfolgenden gleichen Stützwerten wird vorzugsweise der mittlere Stützwert exakt berechnet. Die gemeinsame Vorberechnung für mehrere Stützwerte kann jedoch auch in der Weise erfolgen, daß zur Vorberechnung eines jeden Stützwertes diejenige Rotorlage zugrundegelegt wird, zu der dieser Stützwert auch ausgegeben wird.

Man kann bei elektrischen Synchronmotoren einen sogenannten Feldschwächebetrieb zur Steigerung der Drehzahl bei verringertem Drehmoment vornehmen. Eine derartige Feldschwächung kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren in einfacher Weise dadurch erreicht werden, daß die aufgrund einer bestimmten Motorbelastung vorgenommenen Phasenverschiebung des Drehspannungssystems kleiner ausgeführt wird, als es für ein hohes Drehmoment nötig wäre. Diese Maßnahme führt zu Gegenfeldern, die das Feld des Rotors schwächen. Der Motor kann unter diesem geschwächten Feld schneller betrieben werden. Bezogen auf Fig. 3c bedeutet dies, daß bei einem Wechsel vom Leerlauf in einen Belastungsbetrieb nicht die Stützwerte 4, 124 und 244, sondern beispielsweise die Stützwerte 3, 123 und 243 als nächstes an die Wicklungen angelegt werden müssen. Entsprechend wird eine Phasenverschiebung nicht um 2, sondern nur um 1 Grad bewirkt.

Schließlich ist anzumerken, daß der Microcontroller auch so eingestellt werden kann, daß er die vom Winkelgeber 4 aus Fig. 1 und von der Motorbelastungserfassungseinrichtung 14 gelieferte Information nicht auswertet, sondern selbständig ein bestimmtes Drehspannungssystem an die Wicklungen anlegt. Damit wird der erfindungsgemäße Synchronmotor als normaler Synchronmotor betrieben. Dies kann vorteilhaft sein, wenn eine Motordrehzahl erreicht werden soll, die über der im feldorientierten Betrieb maximal möglichen Drehzahl liegt. Der Microcontroller bestimmt in diesem Fall über die angelegte Frequenz des Drehspannungssystems und dessen proportional zur Drehzahl veränderten Ausgangsamplitude die Umlaufgeschwindigkeit des Rotors.

Claims (26)

1. Verfahren zum Ansteuern eines elektrischen Synchronmotors mit einem Wicklungen aufweisenden Stator und einem Rotor, dessen Drehwinkellage von einem Winkelgeber erfaßt wird, wobei in den Stator ein magnetisches Drehfeld eingeprägt wird, indem an die Wicklungen des Stators in Abhängigkeit der von dem Winkelgeber erfaßten Drehwinkellage des Rotors zueinander phasenverschobene und miteinander ein Drehspannungssystem aufbauende Wechselspannungen angelegt werden, dadurch gekennzeichnet, daß bei Belastung des Motors die Phasenlage des Drehspannungssystems in Abhängigkeit der Motorbelastung gegenüber der Phasenlage des Drehspannungssystems im Leerlaufbetrieb des Motors verschoben wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Phase des Drehspannungssystems mit steigender Belastung des Motors voreilend eingestellt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Motorbelastung durch Messen des in die Statorwicklungen (2) fließenden Laststromes erfaßt wird.

4. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Speicher (15) vorbestimmte entsprechenden Motorbelastungswerten zugeordnete Sollwerte für die Phasenverschiebung abgelegt sind, die in Abhängigkeit der gemessenen Motorbelastung abgerufen und von einer Steuerungsschaltung (5) in entsprechende Phasenverschiebungen der angelegten Wechselspannungen umgesetzt werden.

5. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß Wechselspannungen mit sinusartigem Verlauf an die Statorwicklungen angelegt werden.

6. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß die angelegten Wechselspannungen (16) durch gleichbeabstandete Stützwerte (17) gebildet werden, wobei der momentan für eine Wechselspannung ausgewählte Stützwert (17) von der momentanen Drehwinkellage des Rotors (3) und der momentan erfaßten Motorlast abhängt.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützwerte (18) pulsweitenmoduliert an die Statorwicklungen angelegt werden.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß den pulsweitenmodulierten Stützwerten ein Zeitraster überlagert ist, wodurch jeder Stützwert in Form eines Ausgabemusters (19), bestehend aus über den Abstand zweier Stützwerte gleichverteilter Pulse gleicher Pulsweite an die entsprechende Statorwicklung angelegt wird.

9. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 6-8, dadurch gekennzeichnet, daß ein momentan anzulegender Stützwert aus einem Speicher (15) ausgelesen wird und von der Steuerungsschaltung (5) in Signale zum Ansteuern der entsprechenden Statorwicklung (2) umgesetzt wird.

10. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 4-9, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerungsschaltung (5) einen Microcontroller (8) umfaßt, der aus dem Speicher (15) gespeicherte Werte ausliest und in entsprechende Steuersignale umsetzt.

11. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 6-10, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl während des Treibens als auch während des Bremsens mindestens der unmittelbar als nächster auszugebende Stützwert (17, 18, 19) jeweils vorberechnet wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß dieser Vorberechnung im Falle des Bremsbetriebes eine Rotorlage zugrunde gelegt wird, die zum Zeitpunkt der Ausgabe des Stützwertes (17, 18, 19) bereits überschritten ist und im Falle des Treibbetriebes eine Rotorlage zugrunde gelegt wird, die der Rotorlage entspricht, zu der der Stützwert (17, 18, 19) ausgegeben wird.

13. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 9-12 dadurch gekennzeichnet, daß die den Spannungsverlauf (16) kennzeichnenden Stützwerte (17, 18, 19) als Tabelle in dem Speicher (15) abgelegt werden und diese Tabelle zum Erzeugen der anzulegenden Wechselspannungen periodisch ausgelesen wird, wobei eine aufgrund einer Laständerung notwendige Phasenverschiebung durch Überspringen einer entsprechenden Anzahl von Stützwerte (17, 18, 19) in der Tabelle erreicht wird.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß ein Umstellen zwischen einem Links- und einem Rechtsbetrieb des Motors durch Auslesen der Tabelle in entgegengesetzter Richtung bewirkt wird.

15. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 10-14, dadurch gekennzeichnet, daß bei hohen Drehzahlen des Motors, bei denen die Steuerungsschaltung (5) aufgrund ihrer endlichen Verarbeitungsgeschwindigkeit nicht mehr in der Lage ist, bei der Berechnung eines jeden Stützwertes (17, 18, 19) die aktuelle Motorbelastung zu berücksichtigen, die Motorbelastung für eine Kette aufeinanderfolgender Stützwerte als konstant angenommen wird.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß diese Stützwertkette aus jeweils gleichen Stützwerten besteht, bei deren Vorberechnung vorzugsweise die Rotorlage zugrunde gelegt wird, zu welcher der mittlere Stützwert der Kette ausgegeben wird.

17. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Kette aus Gruppen von untereinander gleichen Stützwerten besteht, wobei zur Vorberechnung jeder Gruppe die Rotorlage zugrunde gelegt wird, zu der der mittlere Stützwert der Gruppe ausgegeben wird.

18. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 4-17, dadurch gekennzeichnet, daß zur Steigerung der Motordrehzahl auf einen Feldschwächebetrieb umgeschaltet wird, indem die Phasenverschiebung des Drehspannungssystemes gegenüber dem vorgegebenen Sollwerten so verändert wird, daß die vom Rotor (3) ausgehende Feldwirkung von dem magnetischen Drehfeld geschwächt wird.

19. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 4-18, dadurch gekennzeichnet, daß zur Steigerung der Motordrehzahl über die bei Orientierung des Drehspannungssysstemes an der Rotorlage maximal mögliche Drehzahl hinaus, auf einen Betrieb umgeschaltet wird, bei dem die vom Winkelgeber (4) gelieferten Signale nicht beachtet werden, sondern die Motordrehzahl von der Frequenz und den proportional zur Frequenz angehobenen Amplituden der angelegten Wechselspannungen (16) bestimmt wird.

20. Elektrischer Synchronmotor mit einem Wicklungen aufweisenden Stator, einem Rotor, einem Winkelgeber zum Erfassen der momentanen Drehwinkellage des Rotors und mit einer Steuerungsschaltung zum Einprägen eines magnetischen Drehfelds in dem Stator durch Anlegen mehrerer zueinander phasenverschobener und ein Drehspannungssystem bildender Wechselspannungen an die Statorwicklungen in Abhängigkeit der Drehwinkellage des Rotors, zum Durchführen des Verfahrens nach mindestens einem der Ansprüche 1-19, gekennzeichnet durch eine die Motorlast erfassende Meßeinrichtung (14) und dadurch, daß die Steuerungsschaltung (5) die Phasenlage des Drehspannungssystems in Abhängigkeit der erfaßten Motorlast verschiebt.

21. Synchronmotor nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerungsschaltung (5) so ausgelegt ist, daß sie die Phase des Drehspannungssystems mit zunehmender von der Meßeinrichtung (14) erfaßter Motorlast voreilend einstellt.

22. Synchronmotor nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung eine Strommeßeinrichtung (14) ist, die die in die Statorwicklungen (2) fließenden Lastströme erfaßt.

23. Synchronmotor nach mindestens einem der Ansprüche 20 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (3) permanenterregt ist.

24. Synchronmotor nach mindestens einem der Ansprüche 20 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkelgeber (4) so beschaffen ist, daß er die Drehwinkellage des Rotors (3) mit hoher Auflösung erfaßt, vorzugsweise auf ein halbes Grad genau.

25. Synchronmotor nach mindestens einem der Ansprüche 20 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerungsschaltung (5) einen Speicher (15) umfaßt, der Daten speichert, die den Zusammenhang zwischen der gemessenen Motorlast und der einzustellenden Phase des Drehspannungssystems angeben.

26. Synchronmotor nach mindestens einem der Ansprüche 20 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerungsschaltung (5) einen Microcontroller (8) aufweist, der Daten aus dem Speicher (15) ausliest und in entsprechende Schaltsignale umsetzt.