DE69001891T2

DE69001891T2 - Verfahren und vorrichtung zur sensorlosen regelung eines reluktanzmotors.

Info

Publication number: DE69001891T2
Application number: DE90911814T
Authority: DE
Inventors: Bengt Hedlund
Original assignee: Electrolux AB
Current assignee: Electrolux AB
Priority date: 1989-07-28
Filing date: 1990-07-20
Publication date: 1994-01-20
Anticipated expiration: 2010-07-21
Also published as: CA2037042A1; SE464213B; SE8902619L; EP0437575A1; CA2037042C; AU6064090A; DK0437575T3; ATE90487T1; SE8902619D0; ES2042305T3; EP0437575B1; US5173650A; JPH04500899A; WO1991002401A1; DE69001891D1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

1. Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung für sensorlose Ansteuerung eines Reluktanzmotors in Abhängigkeit von Motorparameterwerten, welche an der Ausgangsstufe des Motors gemessen werden. Durch Verarbeitung der genannten Werte mittels eines Mikroprozessors wird bei vorgegebenen Werten ein Kommutierungssignal für die aktuelle Phase des Reluktanzmotors ausgelöst.

2. Beschreibung des Standes der Technik

Ein Reluktanzmotor kann für Einzelphasen- oder Mehrphasenbetrieb ausgelegt sein und weist einen Stator mit Erregungswicklungen auf, weiche polweise angeordnet sind. Bei einem üblichen Reluktanzmotortyp umfasst der Stator vier Pole, während der Rotor zwei Pole hat. Die vier Pole des Stators sind so angeordnet, daß sie ein Kreuz bilden, und der Rotor ist so ausgelegt, daß seine Pole in diametral entgegengesetzten Positionen liegen. Bei diesem 4/2-Pol-Motor werden die Statorpole in Paaren zweimal pro Umdrehung erregt, wobei das so erregten Polpaar ein Magnetfeld erzeugt, das den Rotor in die Position zwingt, in welcher der magnetische Widerstand oder die Reluktanz des Magnetkreises seinen Minimalwert aufweist. Für den fortgesetzten Betrieb des Rotors ist eine Kommutierung der Stromversorgung zu den Statorpolen erforderlich, so daß das nächstfolgende Statorpolpaar zur gleichen Zeit aktiviert wird, wenn das momentan gespeiste Statorpolpaares abgeschaltet wird.
Normalerweise wird diese Kommutierung durch Spannungs- oder Stromimpulse gesteuert, welche mit der Rotorposition synchronisiert sind. Um dies zu erreichen, ist es üblich, einen oder mehrere Rotorpositionssensoren vorzusehen, welche in Abhängigkeit von der Winkelposition des Rotors Steuersignale erzeugen. Die Sensoren sind Sensoren des optischen oder magnetischen Typs, was in der Notwendigkeit resultiert, ein extra Bauteil in der Nähe des Rotors vorzusehen. In der Praxis hat es sich gezeigt, daß der Einsatz solcher Rotorpositionssensoren die Herstellung und Installation derartiger Motoren wesentlich verkompliziert.
Deshalb wurden verschiedene Typen sensorloser Kommutierungsteuerungen vorgeschlagen, in denen eine Art von Messen und/oder Berechnen der Motorinduktanz vorgenommen wurde. Entsprechend ist es bekannt, eine Induktanzberechnung vorzunehmen, basierend auf:
1. der Messung der Frequenz und/oder der Amplitude eines Oszillators, der an die Wicklung des entsprechenden Statorpolpaares angeschlossen ist (US-A-4 520 302), oder
2. der Messung der Ableitung des Stromes in der Wicklung während des Aniegens eines Spannungsimpulses (SE-B-8 604 308-0), oder
3. der Berechnung des magnetischen Flusses durch Division der angelegten Spannung durch den gemessenen Strom (SE-B- 8 604 307-2).
Im Prinzip findet bei all diesen Lösungen eine Messung der Induktanz, oder der differentiellen Induktanz, einer Phase, statt und der so gemessene Wert wird dann mit einem Grenzwert für die Kommutierung verglichen. Die bekannten Lösungen arbeiten unzufriedenstellend oder gar nicht, wenn der Reluktanzmotor mit hoher Drehzahl oder mit hoher Belastung betrieben wird. Im letzteren Fall wird der Motor gesättigt, d.h. die Induktanz ändert sich aufgrund der Tatsache, daß sich der Strom ändert. Verschiedene Varianten von Stromkompensationen wurden versucht, mit unterschiedlichem Erfolg. Eine solche Stromkompensation ergibt jedoch eine Verkomplizierung des Schaltungsaufbaus.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Dementsprechend ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, mit relativ einfachen Mitteln ein Verfahren und eine Anordnung für die sensorlose Steuerung eines Reluktanzmotors vorzuschlagen, womit die Nachteile bekannter, oben genannter Verfahren behoben werden. Dies wird durch ein Verfahren bzw. eine Anordnung, wie in den Ansprüchen 1 bzw. 3 definiert, erreicht, wonach, im Gegensatz zur Bestimmung der Induktanz an den bekannten Anordnungen, lediglich der aktuelle magnetische Fluß bestimmt wird, dieser mit einem Flußwert verglichen wird, welcher eine vorgegebene, nicht-lineare Funktion des Stromes ist.
Die vorliegende Erfindung macht von der Tatsache Gebrauch, daß der Reluktanzmotor für jede Winkelposition eine bestimmte, nicht-lineare Beziehung zwischen magnetischem Fluß und Strom in den Statorpolpaarwicklungen aufweist. Es wurde gefunden, daß der Fluß eine monoton wachsende Funktion des Stromes ist. Durch Abtasten der Spannung und des Stromes der Ausgangsstufen für die Motorwicklungen kann der tatsächliche magnetische Fluß ψm entsprechend der Formel
berechnet werden. Der aktuelle erhaltene Wert wird mit einer vorgegebenen, nicht-linearen Funktion des Stromes verglichen, die den Motorfluß als Funktion des Stromes bei einem bestimmten Drehwinkel darstellt. Dieser Winkel ist der Winkel, bei welchem ein Kommutierungssignal auftreten soll. Wenn der aktuelle Wert des Flusses ψm gleich ist wie der Wert, welcher durch die vorgegebene Funktion des Stromes ψ(i) gegeben ist oder diesen übersteigt, wird ein Kommutierungssignal ausgelöst.

KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN

Das Verfahren für sensorlose Steuerung eines Reluktanzmotors gemäss der Erfindung soll nun detaillierter beschrieben werden, im Zusammenhang mit einer bevorzugten Ausführungsvariante der Anordnung, durch welche das Verfahren ausgeführt werden kann. Die Anordnung ist in den folgenden Figuren dargestellt, welche zeigen:
Fig. 1a ein Diagramm der grundsätzlichen Beziehung zwischen magnetischem Fluß und Strom in einem Reluktanzmotor,
Fig. 1b ein Diagramm der Funktion ψ(i) für einen Kommutierungswinkel θ K,
Fig. 1c den berechneten Fluß ψm einer Phase während des Betriebs des Motors, wobei der Winkel θ variabel ist und der Zeitverlauf durch Pfeile t dargestellt ist,
Fig. 1d die überlagerten Diagramme der Fig. 1b und 1c, wobei der Kreuzungspunkt θ = θ K zwischen dem Verlauf ψm für den berechneten Fluß im Betrieb und dem Verlauf ψ(i) für die tabellierten Werte die Position anzeigt, wo ein Kommutierungssignal erwünscht wird,
Fig. 2 eine grundsätzliche Schaltungsanordnung für die Stromspeisung der Statorwicklungen des Reluktanzmotors gemäss vorliegender Erfindung, und
Fig. 3 ein Blockdiagramm der Steuerungseinheit einer Stromspeisungsanordnung gemäss Fig. 2.

BESCHREIBUNG EINES BEVORZUGTEN AUSFUEHRUNGSBEISPIELS

In Fig. 1a ist ein Diagramm der nicht-linearen Beziehung, welche an einem Reluktanzmator zwischen dem magnetischen Fluß ψm und dem Strom i gilt, dargestellt, und zwar in einer Phase und an unterschiedlichen Drehwinkeln des Rotors an besagtem Motor. Wie aus dem Diagramm hervorgeht, ist der magnetische Fluß eine monoton steigende Funktion des Stromes für jede Winkelposition. Für einen Reluktanzmotor mit doppelt vorragenden Polen ist die gegenseitige Induktanz zwischen den Polen vernachlässigbar. In diesem Fall können Fluß und Strom in einer Phase ohne Berücksichtigung der übrigen Phasen betrachtet werden.
Nachfolgend wird die Erfindung jedoch nicht darauf beschränkt, im Zusammenhang mit einem Reluktanzmotor beschrieben, welcher vorragende Pole aufweist und welcher einen Vierpolstator und einen Zweipalrotor umfasst. Die Wicklungen der Statorpole sind paarweise verbunden, und die Pole des Rotors sind in diametral entgegengesetzten Positionen angeordnet. An einem 4/2-Pol-Reluktanzmotor, auf welchen somit Bezug genommen wird, werden die Statorpole in Paaren zweimal pro Umdrehung aktiviert. Jede Phase wird während eines Winkelintervalles aktiviert, in welchem ein positives Drehmoment abgegeben wird. Normalerweise wird ein Rotorpositionssensor dazu verwendet, das Aufschalten und Abschalten der Phasen zu steuern. Der Rotorpositionssensor gibt ein Kommutierungssignal ab, welches von einer Steuereinheit dazu verwendet wird, dem Motor Antriebspulse einzuspeisen. Die Antriebssignale sind mit dem Kommutierungssignal des Sensors synchronisiert, sind aber nicht notwendigerweise mit dem genannten Signal identisch. In diesem Zusammenhang wird durch den Ausdruck Kommutierungssignal ein Signal angesprochen, auf welches die Kommutierung bezogen ist, und nicht ein Signal, welches eine direkte Kommutierung ergibt. Gemäss der vorliegenden Erfindung wird das Kommutierungssignal nicht durch einen Rotorpositionssensor erzeugt, sondern an dessen Statt durch einen Vergleich, Fig. 1d, zwischen dem aktuellen Wert des magnetischen Flusses ψm, Fig. 1c, und einer gegebenen Funktion ψ(i) des momentanen Stromes, Fig. 1b.
Fig. 2 zeigt ein grundsätzliches Schaltbild der Stromspeisung der Statorwicklungen in einem Zweiphasen-Reluktanzmotor. Jeder Wicklungsanschluss H10, H11, H12, H13 ist einer Leistungsstufe 1, 2, 3 bzw. 4 geordnet. Da die Statorwicklungen in Paaren arbeiten, arbeiten auch die Leistungsstufen zusammen. Die Leistungsstufen 1 und 2 beziehen sich auf die Phase mit den Anschlüssen H10, H11, während die Leistungsstufen 3 und 4 sich auf die Phase mit den Anschlüssen H12, H13 beziehen.
Die Leistungsstufen 1-4 werden von der Energiespeisung des Motors mit der Spannung U versorgt. Jede Leistungsstufe 1-4 umfasst eine Treiberstufe mit zwei Transistoren T1, T2 und einen Triggertransistor T3. Der Ausgang der Treiberstufe T1, T2 ist respektive mit einem der Wicklungsanschlüsse H10 - H13 verbunden, während der Eingang besagter Stufe durch den Triggertransistor T3 gesteuert wird, dessen Basis mit Kommutierungssignalen angesteuert werden soll, die an den entsprechenden der Anschlüsse P15 - P18 angelegt werden, welcher mit der Basis des entsprechenden Triggertransistors T3 verbunden ist.
In der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden die momentanen Werte von Spannung und Strom in den Leistungsstufen abgetastet. Entsprechend erfolgt der Abgriff der Spannung über einen Spannungsteiler R1, R2, welcher über der Spannungsquelle U vorgesehen ist, wobei die abgegriffene Spannung u am Anschluss P7 abgegriffen wird. Der abgegriffene Strom wird am Anschluss P8 in Form eines Spannungswertes R . i abgegriffen, worin R die Summe der Widerstände der aktuellen Polwicklung und der aktuellen Leistungsstufe bedeutet.
Die abgetasteten Werte, abgegriffen an den Anschlüssen P7, P8, werden den mit denselben Positionsnummern bezeichneten Eingängen einer Steuerschaltung zugeführt, deren Blockdiagramm in Fig. 3 dargestellt ist. Die Steuerschaltung umfasst einen Mikroprozessor 5, an welchen ein Speicher 6 und ein Analog/Digital-Wandler 7 angeschlossen sind. Im Speicher 6 sind vorgegebene Werte ψ(i) des magnetischen Flusses als Funktion des Stromes in Tabellenform, für verschiedene Winkelpositionen der Rotorpole gespeichert, an denen ein Kommutierungssignal ausgelöst werden soll. Der Mikroprozessor 5 weist einen Steuerausgang P15 - P18 für jede Leistungsstufe 1, 2, 3, 4 auf, deren Steuereingänge gemäss Fig. 2 dieselben Positionsnummern aufweisen.
Wie oben ausgeführt, werden beim Beispiel eines Zweiphasen- Motortyps im Betrieb des Reluktanzmotors die Leistungsstufen 1, 2 und 3, 4 der Statorpolpaare abwechselnd aktiviert. Für jeden Antriebsimpuls tastet der Mikroprozessor periodisch die Spannung U (Anschluss P7) und den Strom i (Anschluss P8) ab, deren entsprechende Werte dem Mikroprozessor 5 eingegeben werden. Von diesen Werten wird die Funktion Δψ = (u-R.i) Δt erzeugt, worin gilt:
u = U wenn beide Leistungsstufen leitend sind,
u = 0 wenn lediglich eine der Leistungsstufen leitend ist,
u = -U wenn keine der Leistungsstufen leitend ist,
R ist der Widerstand der Wicklung plus der Speisungsstufe, und
Δt = Zeitintervall, für welches Δψ berechnet wird.
Durch Hinzuaddieren von Δψ zum vorherigen Flußwert wird der aktuelle Wert ψm des magnetischen Flusses bestimmt. Zu Beginn jedes Antriebsimpulses ist ψm = 0. Der aktuelle Flußwert ψm wird mit dem tabellierten Wert ψ(i) im Speicher 6 verglichen. Falls dann der Wert ψm gleich dem Wert ψ(i) ist oder diesen übersteigt, werden Kommutierungssignale durch den Mikroprozessor 5 ausgelöst. Dieses Kommutierungssignal wird somit bei einer bestimmten Winkelposition für jeden Impuls erhalten. Dieses Signal wird dann durch den Mikroprozessor verwendet, wie wenn es ein Signal von einem externen Rotorpositionssensor wäre. Ausgenommen die Tatsache, daß die Erzeugung des Kommutierungssignals ohne Verwendung irgendeines Sensors erfolgt, arbeitet die Steuereinheit gleich wie eine Anordnung mit Sensor. Wie aus der Literatur bekannt ist, wozu beispielsweise auf T.J.E. Miller: "Switched Reluctance Motor Drives", Ventura, California 1988, hingewiesen sei, kann die Steuerung auf viele unterschiedliche Arten durchgeführt werden. Die hierzu ausgewählte Art beeinflußt die erfindungsgemäß vorgeschlagene Erzeugung des Kommutierungssignals nicht.
Somit wird durch die Anordnung gemäss vorliegender Erfindung mit einfachen Mitteln ein Verfahren für sensorlose Steuerung von Reluktanzmotoren realisiert. Wie oben ausgeführt wurde, wurde lediglich aus Gründen der Beschreibung die prinzipielle Anordnung eines 4/2-Pol-Motors verwendet, wodurch aber die vorliegende Erfindung nicht auf diesen spezifischen Motortyp beschränkt sein soll. Zusätzlich soll das dargestellte Beispiel nicht als auf Steuertechnik mittels Transistoren beschränkt betrachtet werden, auch wenn im Moment diese Technik die vorteilhafteste ist.

Claims

1. Verfahren zur sensorlosen Steuerung eines Reluktanzmotors in Abhängigkeit von gemessenen Parameterwerten, ermittelt an Leistungsstufen (1 - 4) des Reluktanzmotors, bei dem diese Werte in einem Mikroprozessor (5) verarbeitet werden und an vorgegebenen werten ein Kommutierungssignal für die aktuellen Polwicklungen (H10 - H13) am Motor auslösen, dadurch gekennzeichnet, daß die Beziehung zwischen dem magnetischen Fluß und dem Strom in der entsprechenden Polwicklung (H10- H13) für jede Winkelposition (Fig. 1), welche durch die Rotorpole des Motors eingenommen wird, vorbestimmt wird, der aktuelle Wert des magnetischen Flusses (ψm) bestimmt wird, dieser Wert mit einer vorgegebenen, nicht-linearen Funktion (ψ(i)) des Stromes verglichen wird, um dann ein Kommutierungssignal auszulösen, wenn der aktuelle Wert gleich dem Wert der besagten nicht-linearen Funktion ist oder diesen übersteigt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestimmung des Wertes des magnetischen Flusses durch Abtasten der momentanen Spannung (u) bzw. des momentanen Stromes (i), vorgenommen wird, und die Spannungs- und Stromwerte dem Mikroprozessor (5) zugeführt werden für die Berechnung der Aenderung des Flusses nach folgender Beziehung

Δψ = (u-R.i)Δt

worin R den Widerstand der aktuellen Polwicklung und der aktuellen Leistungsstufe bedeutet, die Anderung des Flusses zum Wert des vorher erhaltenen Flsses (ψm) hinzuaddiert wird, und der zusammenaddierte Wert den aktuellen Wert des Flusses ergibt.

3. Anordnung zur sensorlosen Steuerung eines Reluktanzmotors mit einer Leistungsstufe (1 - 4) für jede Polwicklung (H10-H13) des Stators des Motors, wobei die Leistungsstufe mit einer Spannungsversorgung (U) des Motors verbunden ist und in Abhängigkeit von einem Kommutierungssignal (via P15-P18) von einer Steuereinheit (Fig. 3) mit einem Mikroprozessor (5) aktiviert wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein Speicher (6), der dem Mikroprozessor (5) zugeschaltet ist, für die Abspeicherung einer vorgegebenen, nicht-linearen Funktion (ψ(i)) des Stromes für den magnetischen Fluß in der entsprechenden Polwicklung (H10-H13) und für die Winkelposition, in welcher ein Kommutierungssignal erwünscht ist, ausgebildet ist, dabei die Steuerschaltung (Fig. 3) Mittel für die Bestimmung des aktuellen Wertes des magnetischen Flusses (ψm) umfasst, welcher mit der entsprechenden, nicht-linearen Funktion (ψ(i)), die im Speicher (6) gespeichert ist, zu vergleichen ist, um ein Kommutierungssignal dann auszulösen, wenn der aktuelle Wert gleich dem Wert der Funktion ist oder diesen übersteigt.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Bestimmung des aktuellen Wertes des magnetischen Flusses (ψm) Abtastmittel umfassen, zum momentan vorherrschende Werte der Spannung (u) bzw. des Stromes (i) an der aktuellen Leistungsstufe (1-4) abzutasten, wobei die abgetasteten Werte über einen Analog/Digital-Wandler (7) dem Mikroprozessor (5) zugeführt sind für die Berechnung der Aenderung des Flusses (Δψ) entsprechend der Beziehung

Δψ = (u-R.i)Δt,

worin R den Widerstand der aktuellen Polwicklung und der aktuellen Speisungsstufe ist, und im Mikroprozessor eine Addition des erhaltenen Wertes der Flußänderung und des vorher ermittelten Wertes des Flusses (ψm) erfolgt, dabei der Surnmenwert dem aktuellen Wert des Flusses entspricht.

5. Anordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß jede Leistungsstufe (1 - 4) einen Transistor (T3) umfasst, der durch das Kommutierungssignal angesteuert ist.

6. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtastung der Versorgungsspannung (U) für den Motor über einen Spannungsteiler (R1, R2) erfolgt, und daß die Abtastung des Stromes durch die Polwicklungen (H10- H13) mittels eines Strommesswiderstandes (R3) erfolgt.