DE69102646T2

DE69102646T2 - Digitaler motorregler.

Info

Publication number: DE69102646T2
Application number: DE69102646T
Authority: DE
Inventors: Dong Le
Original assignee: AlliedSignal Inc
Current assignee: Honeywell International Inc
Priority date: 1990-07-10
Filing date: 1991-07-10
Publication date: 1994-10-27
Anticipated expiration: 2011-07-11
Also published as: JP2557764B2; IL98778A0; US5350988A; DE69102646D1; JPH05508297A; WO1992001330A1; EP0538387B1; EP0538387A1

Description

TECHNISCHES GEBIET

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Regler für Elektromotoren und insbesondere auf digitale Motorregler für bürstenlose Gleichstrommotoren.

STAND DER TECHNIK

In Reglern für Elektromotoren werden üblicherweise Analogsteuerkreise und Analogsignale zusammen mit begrenzter digitaler Aufarbeitung dazu verwendet, sowohl eine Regelung als auch einen Motorschutz zu erzielen. Solche Analogsysteme bestehen typischerweise aus einer großen Anzahl einzelner Bauteile. Diese Regler sind groß, kostspielig und häufig unverläßlich.
Bei Motorreglern stützt man sich derzeit stärker auf Microprozessoren zwecks Erzielung einer Regelung und eines Motorschutzes. Ein Regler dieser Art ist in einem Artikel des Titels "A Brushless DC Motor Controlled by a Microprocessor with Examples for a Three-Phase Motor" von Walter H. Sakmann in I.E.E.E. Transactions on Industrial Electronics IE-34, No 3 (August, 1987) beschrieben. Ein Microprozessor empfängt Rückführsignale von einem Hall-Sensor. Diese Signale zeigen die Stellung des Rotors des Motors relativ zu den Statorwicklungen des Motors. Der Microprozessor ist mit einer Rechentabelle programmiert, welche die Rückführsignale in Kommutierbefehle umwandelt. Die Kommutierbefehle befehligen ihrerseits einen Festkörperinverter, um ausgewählte Statorwindungen zu erregen. Der Microprozessor kann auch mit einem Stromzerhacker programmiert werden, welcher die Kommutierbefehle zwecks Steuerung der Motordrehzahl zerhackt. Weiters kann der Microprozessor auch für das Messen der Motordrehzahl programmiert werden.
Bei vorbekannten Reglern tritt beim Steuern des Inverters des Motors, ein als "Durchschießen" ("shoot-through") bekanntes Problem auf. Ein in Fig. 2 gezeigter Inverter 12 besitzt drei Paare von Komplementärschaltern 24 und 30, 26 und 32, und 28 und 34. Beim Einschalten ausgewählter Schalter können zwei Wicklungen von einer Energiequelle erregt werden. Wenn jedoch ein komplementäres Paar von Schaltern, beispielsweise die Schalter 24 und 30, gleichzeitig leitet, ergibt sich ein Kurzschluß für die Energiequelle. Hiedurch wird die Energiequelle beschädigt.
Im Falle idealer Schalter würden einander nicht überlappende Steuersignale komplementäre Schalter daran hindern gleichzeitig zu leiten. Schalter sind jedoch nicht ideal und von Transistoren mit innerer Kapazität gebildet. Wenn somit ein Transistor ladet und der andere entladet, können die zwei Transistoren gleichzeitig leiten. Infolgedessen tritt Durchschießen auf.
Die Beschränkungen vorbekannter Motorregelsysteme werden dann schwerwiegender, wenn zwei oder mehr Motoren physikalisch mit dem Ziel aneinandergekoppelt werden, die insgesamt abgegebene Leistung des Systems zu vergrößern. Bei dieser Art von Systemen sind vorbekannte Regler nicht in der Lage, miteinander unter Erzielung einer genau synchronisierten Motorregelung zusammenzuwirken.

OFFENBARUNG DER ERFINDUNG

Eine Vorrichtung zum Regeln eines einen Rotor und mehrere Statorwindungen aufweisenden bürstenlosen Motors besitzt Positionssensoren zum Erzeugen von die Lage des Rotors relativ zu den Windungen anzeigenden Analogsignalen, Positionssignaleinrichtungen zum Erzeugen von digitalen Positionssignalen in Abhängigkeit von den Analogsignalen, eine Decodiereinrichtung zum Decodieren der Positionssignale und Umwandeln derselben in Kommutationsbefehle und eine Inverteranordnung zum Erregen ausgewählter Wicklungen entsprechend den Kommutationsbefehlen. Die Positionssignaleinrichtung ist durch auf die Positionssensoren ansprechende Überprüfeinrichtungen zum Digitalisieren der Analogsignale und durch auf die Ausgangssignale der Überprüfeinrichtungen ansprechende Microprozessoranordnungen zum Erzeugen der Positionssignale gekennzeichnet.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

Fig. 1 ist ein Blockdiagramm für ein einen erfindungsgemäßen digitalen Motorregler, einen Inverter, einen Motor und Positions- und Stromsensoren aufweisendes System.
Fig. 2 ist ein Blockdiagramm des digitalen Motorreglers.
Fig. 3 zeigt von den Positionssensoren für den Rotor gelieferte Analogsignale.
Fig. 4 zeigt die Umhüllende von von den in Fig. 3 gezeigten Analogsignalen abgeleiteten Werten.
Fig. 5 zeigt modulierte Kommutationssignale.
Fig. 6 zeigt ein Fließschema eines Unterbrecher-Unterprogramms, welches vom Digitalsignalprozessor DSP ausgeführt wird.
Fig. 7 zeigt graphisch die digitalen Positionssignale und die hievon abgeleiteten Kommutationsbefehle.
Fig. 8 zeigt ein Fließschema für ein DSP-Unterprogramm zum Ableiten von digitalen Positionssignalen von von den Positionssensoren für den Rotor gelieferten Analogsignalen.
Fig. 9 ist ein Blockdiagramm einer bevorzugten Ausführungsform der Kommutationslogik.
Fig. 10 ist ein Zeitplan für die in Fig. 8 gezeigte Kommutationslogik.
Fig. 11 ist eine Wahrheitstabelle für die Rotation des Motors im Uhrzeigersinn.
Fig. 12 ist eine Wahrheitstabelle für die Rotation des Motors im Gegenuhrzeugersinn.
Fig. 13 zeigt tabellarisch die Lagen für die digitalen Positionssignale.
Fig. 14 zeigt die Zustände für die digitalen Positionssignale.
Fig. 15 zeigt ein Zustandsdiagramm für die Rotation des Rotors im Uhrzeigersinn.
Fig. 16 ist ein Zustandsdiagramm für die Rotation des Rotors im Gegenuhrzeigersinn.
Fig. 17 zeigt ein Fließschema eines DSP-Unterprogramms zum Berechnen der Drehrichtung, der Drehzahl und der Lage des Rotors.
Fig. 18 ist ein Fließschema eines DSP-Unterprogramms zum Berechnen der Stromrückführung.
Fig. 19 zeigt ein stromerfassendes Signal negativer Polarität.
Fig. 20 zeigt ein stromerfassendes Signal positiver Polarität.
Fig. 21 zeigt eine Tabelle zum Auswählen eines Rückführstromes.
Die Figuren 22 und 23 stellen ein Fließschema eines DSP-Programms für die Regelung (geschlossener Regelkreis) des Motors dar.

BESTE ART ZUM AUSFÜHREN DER ERFINDUNG

- Gemäß Fig. 1 liefert ein digitaler Motorregler (DMC) 10 Kommutierbefehle an einen Inverter 12, welcher ausgewählte Statorwindungen eines Motors 14 erregt. Positionssensoren 16 liefern Positionssignale an den DMC 10. Der DMC 10 verarbeitet diese Positionssignale, um Kommutierbefehle zu erzeugen. Der DMC 10 verwendet diese verarbeiteten Positionssignale zwecks Bestimmung der relativen Winkellage, der Drehrichtung und der Drehzahl des Motors 14. Der DMC 10 empfängt digitale Positionsbefehlssignale über eine Datenleitung 18 und analoge Positionsbefehlssignale über eine Leitung 20 und verwendet diese Befehle zum Schließen von Positions- und Drehzahlschleifen. Stromsensoren 22 liefern Daten betreffend die dem Motor 14 zugelieferten Erregerströme. Der DMC 10 verwendet diese Daten zum Schließen einer Stromschleife und zum Durchführen von diagnostischen Prüfungen.
Gemäß der Fig. 2 besitzt der Motor 14 drei bipolar in einer Sternschaltung (Y-Schaltung) angeordnete Statorwicklungen A, B und C. Es ist darauf hinzuweisen, daß der DMC 10 auch einen irgendeine Anzahl von Wicklungen aufweisenden Motor regeln kann. Innerhalb des Inverters 12 sind drei obere Schalter 24, 26 und 28 und drei untere Schalter 30, 32 und 34 in einer üblichen Dreiphasen-Inverterkonfiguration angeordnet, um die Leistung auf die Statorwicklungen A, B und C zu verteilen. Jeder Schalter ist von einem einzigen Transistor oder von mehreren parallelgeschalteten Transistoren gebildet. Eine positive Betriebsspannung wird über den oberen Gleichstromanschluß 36 der oberen Seite der Schalter 24, 26 und 28 gelegt, welche vom DMC 10 durch Kommutiersignale A+, B+ bzw. C+ betätigt werden. Ein negatives Betriebspotential wird über den Gleichstromanschluß 38 an die Schalter 30, 32 und 34 gelegt, welche vom DMC 10 durch Kommutiersignale A-, B- bzw. C- betätigt werden. Die untere Seite des Schalters 24 und die obere Seite des Schalters 30 sind gemeinsam mit der Wicklung A verbunden. In ähnlicher Weise sind die untere Seite des Schalters 26 und die obere Seite des Schalters 32 gemeinsam mit der Wicklung B und die untere Seite des Schalters 28 und die obere Seite des Schalters 34 mit der Wicklung C verbunden. Der Inverter 12 und der Motor 14, welcher ein bürstenloser Gleichstrommotor ist, sind den Fachleuten auf dem Fachgebiet gut bekannt.
Bei laufendem Motor ist zu jedem bestimmten Zeitpunkt nur einer der oberen Schalter 24, 26 und 28 in "EIN"-Stellung und zu jedem beliebigen Zeitpunkt nur einer der unteren Schalter 30, 32 und 34 in "EIN"-Stellung. Weiters befindet sich kein komplementärer Schalter zum gleichen Zeitpunkt in "EIN"-Stellung, da sonst Durchschießen auftritt. Der Strom fließt somit über einen Strompfad, welcher in Reihenschaltung den oberen Gleichstromanschluß 36, einen in "EIN"-Stellung befindlichen oberen Schalter 24, 26 oder 28, zwei der Statorwicklungen A, B oder C, einen in "EIN"-Stellung befindlichen unteren Schalter 30, 32 oder 34 und den Gleichstrom-Rückführungsanschluß 38 umfaßt. Wenn der Rotor des Motors in einer anderen Drehrichtung angetrieben wird, steuert der DMC 10 ein anderes Paar von oben und unten liegenden Schaltern an, um die den Wicklungen A, B oder C des Motors 14 zugeführte Betriebsspannung zu kommutieren.
Innerhalb des Motors 14 besitzt der Positionssensor 16 Motorpositionssensoren 40, 42 und 44, welche in Nähe der Wicklungen A, B bzw. C angeordnet sind. Diese Motorpositionssensoren 40, 42 und 44 erzeugen analoge Positionssignale APOSA, APOSB und APOSC, welche die Rohdatenpositionssignale bilden. Die analogen Positionssignale APOSA, APOSC und APOSB werden dadurch erzeugt, daß ein Trägersignal zu den Sensoren 40, 42 und 44 gesendet wird, welche dann einzeln ihre Ausgangsgrößen bei Drehung der Rotorwelle um 360º amplitudenmodulieren. Dementsprechend sind die Signale APOSA, APOSB und APOSC sinusförmig schwankende Signale, welche gegeneinander um 120º phasenversetzt und von der Drehlage des Rotors des Motors (siehe Fig. 3) abhängig sind. Eine Frequenz von 50 kHz für das Trägersignal reicht aus, für jeden Zyklus eine Anzahl positiver und negativer Scheitel zu erzeugen.
Die sinusförmig schwankenden und amplitudenmodulierten Positionssignale APOSA, APOSB und APOSC werden in anti-aliasierenden Filtern 46, 48 und 50 gefiltert und damit von Harmonischen befreit. Die Ausgangsgrößen der anti-aliasierenden Filter 46, 48 und 50 werden Prüf- und Haltekreisen 52, 54 bzw. 56 zugeführt. Über den Leiter 58 zugeführte Taktsignale ermöglichen es den Prüf- und Haltekreisen 52, 54 und 56, die Analogsignale APOSA, APOSB und APOSC gleichzeitig zu verarbeiten. Die Prüf- und Haltekreise 52, 54, 56 sind um 90º phasenverzögert, um dem Einsetzen des 50 kHz-Trägersignals nachzueilen. Die Prüf- und Haltekreise 52, 54 und 56 erhalten somit die Scheitelwerte der Analogsignale APOSA, APOSB und APOSC. Umhüllende GPOSA, GPOSB und GPOSC der Werte aus den Analogsignalen APOSA, APOSB und APOSC sind in Fig. 4 gezeigt. Die von den Prüf- und Haltekreisen 52, 54 und 56 erfaßten Werte werden dann einem Multiplexer (MUX) 60 zugeführt, welcher die Signale seriell abgibt. Der Multiplexer 60 empfängt über die Leiter 62 Steuersignale, welche für eine richtige Aufeinanderfolge der Ausgangssignale des Multiplexers sorgen. Die Ausgangssignale werden einem Puffer 64 zugeführt. Die Ausgangsgröße des Puffers 64 wird einem Prüf- und Haltekreis 66 zugeführt, womit sich der Multiplexer 60 auf einen neuen Eingangswert einstellen kann, während der Analog/Digitalwandler (A/D-Wandler) 68 das vorhergehende Eingangssignal umwandelt. Die Ausgangsgröße des Prüf- und Haltekreises 66 wird durch einen flash-Analog/Digital-Wandler 68 in Digitalformat umgesetzt.
Die digitalisierten Werte aus den Umhüllenden GPOSA, GPOSB und GPOSC werden dann zu einem Digitalsignalprozessor (DSP) 70 weitergeleitet, wo sie zu digitalen Positionssignalen DPOSA, DPOSB und DPOSC verarbeitet werden. Der DSP 70 kann ein von Analog Devices verkaufter ADSP 210X oder ein äquivalenter Mikroprozessor sein. Da solche Mikroprozessoren gut bekannt sind, ist eine Beschreibung ihres Aufbaus nicht erforderlich. Die Auswahl eines speziellen Mikroprozessors ist Sache des Fachmanns.
Ein Programm und ein Notizblock und Tabellen und Konstanten für den DSP 70 sind in einem elektronischen Speicher 71 gespeichert. Das Programm umfaßt ein Abbruchprogramm (Fig. 6), Unterprogramme zum Gewinnen der digitalen Positionssignale DPOSA, DPOSB und DPOSC (Fig. 8), Drehzahlrückführung (Fig. 17), Stromrückführung (Fig. 18) und ein Programm für die Regelschleife (Fig. 22 und 23).
Die digitalen Positionssignale DPOSA, DPOSB und DPOSC werden über Datenleitungen 74, 76 bzw. 78 einer Kommutierlogikzelle 72 zugeführt. Über die Leitung 80 liefert der DSP 70 einen Drehrichtungsbefehl (DIRCMD), welcher die befohlene Drehrichtung des Motors angibt. Auf Grund dieser Signale liefert die Kommutierlogikzelle 72 sechs Kommutiersignale A+, B+, C+, A-, B- und C- an den Inverter 12. Die Kommutierlogiksignale A+, A-, B+, B- C+ und C- werden durch eine vom DSP 70 ausgewählte Modulationsfrequenz, beispielsweise ein 18 kHz-Signal, moduliert. Der DSP 70 liefert über die Datenleitung 82 an die Kommutierlogikzelle 72 einen Arbeitszyklusbefehl DCCMD. Der Arbeitszyklusbefehl DCCMD verändert zwecks Regelung der Motordrehzahl die Impulsbreite der modulierten Frequenz. Die Kommutierlogikzelle 72 moduliert somit wirksam die Kommutiersignale A+, A-, B+, B-, C+ und C- durch Verändern der Dauer der "EIN"-Zeit innerhalb des 18 kHz-Signals, womit die Drehzahl und die Ausgangsleistung des Motors 14 verringert wird. Beispielsweise kann der Motor 14 durch Verändern der "EIN"-Zeit innerhalb des 18 kHz-Signals mit nahezu 100% Leistung für die "EIN"-Zeit für die Phase A, 50% Leistung für die "EIN"-Zeit für die Phase C und 20% Leistung für die "EIN"-Zeit der Phase B von 100% bis 50% bzw. bis 20% (siehe Fig. 5) betrieben werden. Innerhalb des Inverters 12 werden diese Kommutiersignale A+, A-, B+, B-, C+ und C- an die Schalter 24, 26, 28, 30, 32 bzw. 34 gelegt. Jedes dieser Kommutiersignale ist im Grunde ein EIN/AUS-Signal für die zugehörigen Schalter. Die Schalter 24, 26, 28, 30, 32 und 34 kommutieren in der oben beschriebenen Weise die positive Betriebsspannung und die negative Betriebsspannung zwischen dem Eingang und dem Ausgang der Phasenwicklungen A, B und C des Motors.
Der Stromsensor 22 besitzt drei Stromsensorelemente 84, 86 und 88 mit sättigbarem Kern, welche grundsätzlich um die elektrischen Zuführungen der Motorwicklungen A, B bzw. C gewickelte Induktionsspulen sind. Den Sensorelementen 84, 86 und 88 wird eine 50 kHz-Rechteckwellenerregerspannung zugeführt. Wenn eine Wicklung A, B oder C erregt wird, wird das zugehörige Stromsensorelement 84, 86, 88 rasch gesättigt. Die 50 kHz-Erregerspannung erzeugt dann ein Ausgangssignal mit Rechteckwellenstrom, welches der zugeführten Rechteckwellenspannung um 90º nacheilt. Die Rechteckwellenstrom-Ausgangssignale eines jeden der drei Stromsensorelemente 84, 86 und 88 sind die Stromphasen-Analogsignale ACURA, ACURB bzw. ACURC. Die Stromphasen-Analogsignale ACURA, ACURB und ACURC werden von anti-aliasierenden Filtern 90, 92 bzw. 94 gefiltert und von Prüf- und Haltekreisen 96, 98 bzw. 100 erfaßt. Die Prüfzeitpunkte sind mit der Hinterflanke des 50 kHz-Erregersignals synchronisiert. Weiters wird ein Analoggleichstrom ACURDC einem anti-aliasierenden Filter 102 und dem Prüf- und Haltekreis 104 zugeführt. Die Ausgangsgrößen der Prüf- und Haltekreise 96, 98, 100 und 104 werden zum Multiplexer 60 weitergeleitet, welcher die Signale seriell abgibt. Der Analog/Digital-Wandler 68 wandelt die erfaßten Analogströme in einen Digitalgleichstrom DCURDC und in digitale Phasenströme DCURA, DCURB und DCURC um, deren Werte hinsichtlich Größe auf der der zugehörigen Wicklung A, B oder C zugeführten Leistung beruhen.
Referenzströme CURAREF, CURBREF und CURCREF werden von den Mittelanschlüssen der Stromsensorelemente 84, 86 bzw. 88 abgeleitet. Diese Referenzströme werden von drei Komparatoren 106, 108 bzw. 110 empfangen. Den Komparatoren 106, 108 und 110 wird auch ein Spannungsreferenzsignal (VREF) zugeführt. Jeder dieser Komparatoren 106, 108, 110 vergleicht die Referenzströme CURAREF, CURBREF bzw. CURCREF mit dem Spannungsreferenzsignal VREF und erzeugt eine Ausgangsgröße, welche einem Puffer 112 zugeführt wird. Unter Steuerung durch den DSP 70 stellt sich der Puffer 112 auf Werte für die Referenzströme ein. Die Werte für die Referenzströme werden dem DSP 70 zugeführt, wo sie in der Stromschleife verwendet werden. Die Ströme werden auch für diagnostische Prüfungen verwendet.
Durch Hinzufügen eines I/O-Reglers (nicht gezeigt) kann der DMC 10 auch in andere Systeme wie beispielsweise Flugzeuge und Raumfahrzeuge integriert werden. Der I/O-Regler schafft die Fähigkeit für ein Interface zwischen dem DMC 10 und äußerer Elektronik. Der I/O-Regler empfängt und überträgt die Eingangsbefehle in solcher Weise, daß der Zustand des DMC 10 überwacht wird, enthält eine eingebaute Prüfschleife und sorgt für Temperaturmessungen und Messungen der Versorgungsspannung.
Weiters kann das Arbeiten des DMC 10 durch Hinzufügen folgender Bauelemente unterstützt werden: einen "Überwachungs- -Taktgeber" ("watchdog timer"), welcher den DMC 10 abfrägt, um sicherzugehen, daß das System gesund und fehlerfrei ist, einen Unterbrechungs-Taktgeber, welcher dem DMC 10 den Zeitpunkt zum Empfangen eines Positionsbefehles POSCMD und den Abschaltzeitpunkt im Falle eines Netzausfalls mitteilt, und einen Vielfachschreiber, dessen Inhalt die Umgebung über die Gründe des Abschaltens des Systems (z.B. Überstrom) informiert. Der DMC 10 kann auch mit einem Frequenzteiler ausgestattet werden, welcher ein einzelnes Taktsignal in eine Anzahl von Taktsignalen niedrigerer Frequenz unterteilt. Es können somit verschiedene Taktsignale für den DMC 10 durch einen einzigen Taktgenerator und den Frequenzteiler zur Verfügung gestellt werden.
In Fig. 6 ist ein Fließschema für ein Unterbrecherprogramm gezeigt, welches durch den DSP 70 alle 20 usec eingegeben wird (Modul 300). Alle 20 usec führt der DSP 70 ein Unterprogramm zum Decodieren der Motordrehrichtung durch (Modul 302). Dieses Unterprogramm liefert die digitalen Positionssignale DPOSA, DPOSB und DPOSC. Die digitalen Positionssignale werden somit 50 000-mal je Sekunde auf den neuesten Stand gebracht. Dieses Unterprogramm wird im Zusammenhang mit den Figuren 7 und 8 näher erläutert.
Das Unterbrecherprogramm enthält einen internen Zähler CUR_CNT, welcher alle 20 usec ausgelöst (Modul 304) und alle 100 usec (Modul 316) rückgestellt wird. Wenn der Zähler CUR_CNT gleich ist eins, drei und vier (Modul 310), gibt der DSP 70 das Unterbrecherprogramm ab (Modul 312).
Wenn der Zähler CUR_CNT gleich ist zwei (Modul 306), führt der DSP 70 ein Decodieren der Drehzahlrückführung durch (Modul 308). Hier nützt der DSP 70 die digitalen Positionssignale DPOSA, DPOSB und DPOSC zum Bestimmen der Drehzahlrückführsignale. Die Drehzahlrückführsignale werden somit 10 000-mal je Sekunde auf den letzten Stand gebracht. Die Drehzahlrückführsignale werden im Zusammenhang mit den Figuren 13 bis 17 im einzelnen beschrieben.
Wenn der Zähler CUR_CNT gleich ist fünf (Modul 310), liefert der DSP 70 ein Stromrückführsignal (Modul 314). Das Stromrückführsignal ist durch die digitalen Positionssignale DPOSA, DPOSB und DPOSC, die Referenzströme CURAREF, CURBREF und CURCREF und die digitalen Phasenströme DCURA, DCURB und DCURC bestimmt. Die Ströme und Rückführsignale werden somit 10 000-mal je Sekunde auf den letzten Stand gebracht. Das Stromrückführsignal wird im einzelnen im Zusammenhang mit den Figuren 18 bis 21 beschrieben.
Fig. 7 zeigt, wie der DSP 70 die Prüfergebnisse aus den Umhüllenden GPOSA, GPOSC und GPOSB verarbeitet. Um das Verständnis der Verarbeitung zu erleichtern, sind in Fig. 7a die Umhüllenden GPOSA, GPOSC und GPOSB übereinandergelegt. Im allgemeinen vergleicht der DSP 70 Prüfergebnisse aus aufeinanderfolgenden Umhüllenden. Das Digitalsignal für einen Positionssensor geht auf H-Niveau, wenn das Prüfergebnis aus seiner Umhüllenden größer ist als das Prüfergebnis aus der nächstfolgenden Umhüllenden. Auf diese Weise zeigt jedes Digitalsignal die Nähe des Rotors relativ zu einer entsprechenden Wicklung und der benachbarten Wicklung an. Fig. 7b erläutert die aus dem Vergleich resultierenden Digitalsignale DPOSA, DPOSC und DPOSB.
Fig. 8 zeigt weiters ein Fließschema eines DSP 70-Programms zum Verarbeiten der aus den Umhüllenden, GPOSA, GPOSB und GPOSC gewonnenen Werte der Prüfergebnisse. Zunächst erhält der DSP 70 die Stellung des Rotors betreffende Daten (Modul 400). Der DSP 70 sendet über den Leiter 58 das Taktsignal, welches die Prüf- und Haltekreise 52, 54 und 56 veranlaßt, die vom Positionssensor 20 beigestellten analogen Positionssignale APOSA, APOSB und APOSC zu erfassen. Anschliessend sendet der DSP 70 über den Leiter 62 zum Multiplexer 60 Steuersignale, welche den Multiplexer 60 in die Lage versetzen, von den Umhüllenden GPOSA, GPOSB und GPOSC gewonnene Prüfwerte abzugeben. Der DSP 70 liest die Ausgangsgröße des A/D-Konverters 68.
Das digitale Positionssignal DPOSA wird durch Vergleich des von der Umhüllenden GPOSA gewonnenen Prüfwertes mit einem von der Umhüllenden GPOSC gewonnenen Prüfwert erhalten (Modul 402). Wenn der Prüfwert aus der Umhüllenden GPOSA größer ist als jener der Umhüllenden GPOSC, wird das digitale Positionssignal DPOSA auf H-Niveau (Modul 404) gesetzt. Wenn der von der Umhüllenden GPOSA erfaßte Prüfwert kleiner ist als jener der Umhüllenden GPOSC, wird das digitale Positionssignal DPOSA auf L-Niveau (Modul 406) gesetzt. In ähnlicher Weise wird das digitale Positionssignal DPOSC durch Vergleich des aus der Umhüllenden GPOSC gewonnenen Wertes mit dem aus der Umhüllenden GPOSB gewonnenen Wert (Modul 408) so bestimmt, daß DPOSC auf H-Niveau ansteigt, wenn die Umhüllende GPOSC größer ist als die Umhüllende GPOSB (Modul 410) und auf L-Niveau absinkt, wenn die Umhüllende GPOSB kleiner ist als die Umhüllende GPOSC (Modul 412). Schließlich wird das digitale Positionssignal DPOSB durch Vergleich der Umhüllenden GPOSB mit der Umhüllenden GPOSA (Modul 414) so bestimmt, daß dann, wenn die Umhüllende GPOSB größer ist als die Umhüllende GPOSA das digitale Signal DPOSB auf H-Niveau liegt (Modul 416) und daß dann, wenn die Umhüllende GPOSA größer ist als die Umhüllende GPOSB das Digitalsignal DPOSB auf L-Niveau liegt (Modul 418). Diese in Fig. 6b gezeigten digitalen Positionssignale DPOSA, DPOSB und DPOSC werden im DSP 70 dazu verwendet, die Stellung des Rotors und die aktuelle Drehrichtung des Motors zu bestimmen, eine Stromrückführung zu bewirken und Fehlleistungen des Positionssensors anzuzeigen. Die Kommutierlogikzelle 72 benützt die digitalen Positionssignale DPOSA, DPOSB und DPOSC, für den Inverter 12 Kommutierbefehle zu erzeugen.
In Fig. 9 ist eine bevorzugte Ausführungsform der Kommutierlogikzelle 72 gezeigt. Der DSP 70 programmiert eine Modulationsfrequenz dadurch, daß ein 8-bit-Frequenzbefehl an die Datenleitung 82 gelegt und ein erstes Taktsignal WR-PWM-FREQ ausgelöst wird, welches die Bits D0 bis D7 einer ersten Verriegelungsstufe 114 setzt. Der Inhalt der ersten Verriegelungsstufe 114 wird in einen ersten Zähler 116 eingegeben, welcher ein freilaufender Zähler ist. Der erste Zähler 116 wird mit 12 MHz getaktet. Wann immer der erste Zähler 116 seinen endgültigen Zählwert erreicht, geht sein Ausgang auf H-Niveau, wobei er eine Parallelbelastung des Inhalts der ersten Verriegelungsstufe 114 bewirkt. Da der Ausgang des ersten Zählers 116 an seinen Löscheingang gekoppelt ist, geht der Ausgang beim nächsten 12 MHz-Impuls auf L-Niveau. Damit tritt am Ausgang ein Impuls auf. In dem Maße wie der Wert des Inhalts der ersten Verriegelungsstufe 114 ansteigt, erhöht sich auch die Impulsfrequenz am Ausgang des ersten Zählers, d.h. daß der endgültige Zählwert rascher erreicht wird (siehe Fig. 10a). Auf diese Weise liefert der Ausgang des ersten Zählers 116 ein Signal PWM-FREQ, für welches die Modulationsfrequenz vom DSP 70 ausgewählt wurde.
Die Bits D0 bis D11 der Arbeitszyklussteuerung DCCMD enthalten die Dauer des Arbeitszyklus. Wenn der Arbeitszyklusbefehl DCCMD an die Datenleitung 82 gelegt wird, gibt der DSP 70 ein zweites Taktsignal WR-PWM-DC ab, welches die Bits D0 bis D7 einer zweiten Verriegelungsstufe 118 und die Bits D8 bis D11 einer dritten Verriegelungsstufe 120 setzt. Mit jeder Parallellast zählt ein zweiter Zähler 122 bis zum endgültigen Zählwert, wobei er anschließend an seinem Ausgang einen Impuls abgibt. Der Impuls geht auf H-Niveau bei Parallellast und geht bei Erreichen des endgültigen Zählwertes auf L-Niveau (siehe Fig. 10b). Der Ausgang des zweiten Zählers 122 liefert einen Arbeitszyklus DC.
Der DSP 70 stellt die Impulsbreite des Arbeitszyklus DC ein, um eine Absicherung gegen ein Durchschießen zu erreichen. Die anfängliche "EIN"-Zeit eines ausgewählten Transistors (Schalters) im Inverter 12 wird durch ein Intervall EPS verringert. Das Intervall EPS ist ein kurzes Zeitintervall einer "AUS"-Zeit, während welcher die Basisladung eines komplementären Transistors im Inverter 12 abgeleitet wird. Der ausgewählte Transistor wird damit so lange nicht eingeschaltet bis der komplementäre Transistor Zeit zum Entladen hatte. Die Dauer des Intervalls EPS hängt vom von den Transistoren geleiteten Strom ab. Höhere Ströme erfordern mehr Zeit zum Ableiten der Basisladung vom komplementären Transistor. Um die "EIN"-Zeit zu verringern, werden die einen Wert für das Intervall EPS enthaltenden Bits D12 bis D15 der Arbeitszyklussteuerung DCCMD in eine dritte Verriegelungsstufe 120 eingegeben. Ein dritter Zähler 124 zählt bis zum Erreichen des endgültigen Zählergebnisses und bleibt dann bis zur nächsten Parallellast stehen. Ein Zählauslöser CE wird dazu verwendet, den dritten Zähler 124 anzuhalten. Der dritte Zähler 124 gibt einen Impuls ab, dessen Dauer gleich ist dem Intervall EPS (siehe Fig. 10c). Der Impuls fällt mit der Vorderflanke eines jeden Arbeitszyklus DC zusammen.
Die Zahl möglicher impulslängenmodulierter Frequenzen liegt zwischen 5,9 kHz und 1,5 MHz. Die Auflösung der impulslängenmodulierten Frequenz beträgt 83 nsec. Bei auf 18 kHz eingestellter impulslängenmodulierter Frequenz und bei mit 12 MHz getaktetem ersten Zähler 116 kann der Arbeitszyklus zwischen 0 und 100 Prozent bei einer Auflösung von 0,15% schwanken.Das Intervall EPS kann zwischen 0,33 usec und 5,2usec bei einer Auflösung von 83 nsec eingestellt werden.
Da das erste Taktsignal und das zweite Taktsignal miteinander nicht synchronisiert sind, ist doppeltes Puffern (double buffering) (zweifache Oderschaltung) erforderlich, um den DSP 70 daran zu hindern, in die zweite Verriegelungsstufe 118 und in die dritte Verriegelungsstufe 120 zu schreiben, während diese beiden Verriegelungsstufen 118 und 120 ihre zugehörigen Zähler 122 und 124 beschicken. Eine dritte Verriegelungsstufe 126 ist zwischen der ersten Verriegelungsstufe 118 und dem zweiten Zähler 122, und eine vierte Verriegelungsstufe 128 ist zwischen der zweiten Verriegelungsstufe 120 und dem dritten Zähler 124 vorgesehen. Die dritte und die vierte Verriegelungsstufe 126 bzw. 128 wird normalerweise durch die Doppelpufferlogik 130 getaktet, unmittelbar bevor der zweite Zähler 122 und der dritte Zähler 124 parallel beschickt werden. Wenn jedoch der DSP 70 die erste und die zweite Verriegelungsstufe 118 bzw. 120 gleichzeitig auf den letzten Stand bringt, wird das Takten der dritten und der vierten Verriegelungsstufe 126 bzw. 128 bis zur nächsten Parallellast ausgesetzt. Doppeltes Puffern ist dem Fachmann auf diesem Gebiet gut bekannt.
Der Arbeitszyklus DC und das Intervall EPS werden der Antriebs/Brems-Logik 132 zugeführt. Die Antriebs/Brems-Logik 132 entfernt das Intervall EPS aus dem Arbeitszyklus DC (siehe Fig. 10d). Der Arbeitszyklus DC geht somit auf L-Niveau, wenn das Intervall EPS auf H-Niveau geht. Der Arbeitszyklus DC ist an einem ersten Ausgang der Antriebs/Brems-Logik 132 vorgesehen. Dieses Signal wird dazu verwendet, den Motor 14 anzutreiben (d.h. dem Motor 14 Energie zuzuführen). Die Antriebs/Brems-Logik 132 stellt weiterseinen inversen Arbeitszyklus DCINV bei, welcher dazu verwendet wird, den Motor 14 abzubremsen (also den Motor 14 von der Energiequelle zu trennen). Wann immer der Arbeitszyklus DC sich auf L-Niveau befindet, und das Ausgangsintervall EPS auf L-Niveau abfällt, steigt das Signal DCINV auf H-Niveau (siehe Fig. 10e). Es wird somit die Länge des inversen Arbeitszyklus DCINV ebenfalls durch den Arbeitszyklusbefehl DCCMD gesteuert. Die Antriebs/Brems-Logik 132 kann von einem Fachmann aufgebaut werden.
Der Arbeitszyklus DC und der inverse Arbeitszyklus DCINV werden den zugehörigen Eingängen einer programmierbaren Logikanordnung (PLA) 134 zugeführt. Die digitalen Positionssignale DPOSA, DPOSB und DPOSC und der Drehrichtungsbefehl DIRCMD werden ebenfalls zugehörigen Eingängen der PLA 134 zugeführt. Die PLA 134 realisiert die in den Figuren 11 und 12 gezeigte Wahrheitstabelle.
Die in Fig. 11 gezeigte Wahrheitstabelle entspricht der Drehung des Motors 14 im Uhrzeigersinn. Es ist zu beachten, daß der Drehrichtungsbefehl DIRCMD stets auf H-Niveau liegt. Immer wenn der Arbeitszyklus DC und der inverse Arbeitszyklus DCINV den gleichen Wert besitzen, werden im Inverter 12 alle Schalter 24, 26, 28, 30, 32, 34 abgeschaltet. Es ist zu beachten, daß alle drei Signale DPOSA, DPOSC und DPOSB nicht gleichzeitig auf H-Niveau gehen (Zustand 7) und auch nicht gleichzeitig auf L-Niveau absinken (Zustand 0). Falls sie es dennoch tun, geht ein einen Positionsfehler anzeigendes Signalnal PSF auf H-Niveau. Der DMC 10 liefert somit eine Fehanzeige, wenn der Positionssensor 16 ausfällt.
Wann immer sich der Arbeitszyklus DC auf H-Niveau und sich der inverse Arbeitszyklus DCINV auf L-Niveau befindet, wird der Motor 14 im Uhrzeigersinn angetrieben. Befindet sich nur das Signal DPOSC auf H-Niveau, nehmen die Kommutiersignale C+ und B- H-Niveau ein (Zustand 1). Wenn sich nur das Signal DPOSB auf H-Niveau befindet, steigen die Kommutiersignale B+ und A- auf H-Niveau an (Zustand 2). Wenn sich die Signale DPOSB und DPOSC auf H-Niveau befinden, steigen die Kommutiersignale C+ und A- auf H-Niveau (Zustand 3). Befindet sich nur das Signal DPOSA auf H-Niveau, dann gehen die Kommutiersignale A+ und C- auf H-Niveau (Zustand 4). Befinden sich die Signale DPOSC und DPOSA auf H-Niveau, dann steigen die Kommutiersignale A+ und B- auf H-Niveau an (Stufe 5). Wenn die Signale DPOSB und DPOSA sich auf H-Niveau befinden, dann steigen die Kommutiersignale B+ und C- auf H-Niveau (Zustand 6). Ein Satz von Eingangsgrößen und entsprechender Kommutiersignale A+, A-, B+, B-, C+ und C- für die Drehung im Uhrzeigersinn ist in den Figuren 6b und 6c gezeigt.
Immer wenn sich der Arbeitszyklus DC auf L-Niveau und der inverse Arbeitszyklus DCINV auf H-Niveau befindet, wird der Motor abgebremst. Beim Abbremsen des Motors 14 kann die erzeugte Rück-EMK ins Netz zurückströmen. Befindet sich nur das Signal DPOSC auf H-Niveau, steigen die Kommutiersignale C- und B- auf H-Niveau an (Zustand 1). Befindet sich nur das Signal DPOSB auf H-Niveau, steigen die Kommutiersignale B- und A- auf H-Niveau an (Zustand 2). Wenn sich die Signale DPOSB und DPOSC auf H-Niveau befinden, steigen die Kommutiersignale C- und A- auf H-Niveau an (Zustand 3). Befindet sich nur das Signal DPOSA auf H-Niveau, steigen die Kommutiersignale A- und C- auf H-Niveau an (Zustand 4). Wenn sich die Signale DPOSC und DPOSA auf H-Niveau befinden, steigen die Kommutiersignale A- und B- auf H-Niveau an (Zustand 5). Befinden sich die Signale DPOSB und DPOSA auf H-Niveau, steigen die Kommutiersignale B- und C- auf H-Niveau an (Zustand 6). Der DMC 10 steuert somit den aus der Rück-EMK resultierenden Strom.
Wenn die Rück-EMK sehr groß wird, kann die Energiequelle beschädigt werden. Weiters lassen es gewisse Anwendungsfälle nicht zu, die Rück-EMK in die Energiequelle zurückkehren zu lassen. Deshalb ist ein Lastwiderstand RL vorgesehen, um die Rück-EMK aufzubrauchen. Der Lastwiderstand RL ist zwischen den oben liegenden Gleichstromanschluß 36 und den Kollektor eines Transistors T geschaltet, dessen Emitter an den Rückführungsgleichstromanschluß 38 angeschlossen ist (siehe Fig. 3). Der Transistor T besitzt die gleiche Belastbarkeit wie die Transistoren im Inverter 12. Der DSP 70 macht den Transistor T leitend, wenn die angeschlossene Gleichspannung die Leistung der Transistoren übersteigt. Die am oben liegenden Gleichstromanschluß 36 liegende Spannung wird somit digitalisiert und dem DSP 70 zugeführt. Wenn die Spannung am Gleichstromanschluß größer ist als die Nennleistung der Transistoren (z.B. 300 V Gleichspannung), sendet der DSP 70 ein Signal an die Basis des Transistors T, welcher den Lastwiderstand RL zwischen den oben liegenden Gleichstromanschluß 36 und die Gleichstromrückleitung 38 schaltet. Im Endeffekt vernichtet der Lastwiderstand die Rück-EMK.
Die in Fig. 12 gezeigte Wahrheitstabelle entspricht der Drehung des Motors 14 im Gegenuhrzeigersinn. Für den ersten Satz und den vierten Satz von Eingangsgrößen wird dem Motor 14 keine Energie zugeführt. Für den zweiten Satz von Eingangsgrößen wird der Motor im Gegenuhrzeigersinn angetrieben. Für den dritten Satz von Eingangsgrößen wird der Motor 14 bei seiner Rotation im Gegenuhrzeigersinn abgebremst.
Unter Bezugnahme auf die Figuren 13 bis 16 ist zu sagen, daß der DSP 70 die Stellung des Motors, dessen Drehzahl und dessen Drehrichtung aus den digitalen Positionssignalen DPOSA, DPOSB und DPOSC ableitet . Wie bereits vorher erörtert, gibt es innerhalb eines vollständigen Zyklus (d.i. eine elektrische Rotation um 360º) sechs mögliche Zustände (d.h. Stellungen) für die drei digitalen Signale DPOSA,DPOSB und DPOSC. Diese sechs aktiven Stellungen sind mit S1, S2, S3, S4, S5 und S6 bezeichnet. Aus den Figuren 13 und 14 wird augenscheinlich, daß jeder Zustand einen Binärwert der Digitalsignale DPOSB, DPOSC und DPOSA darstellt. In die Tabelle sind auch die zwei Fehlstellungen S0 und S7 eingegliedert, welche einen Fehler PSF des Positionssensors anzeigen. Jede der sechs Stellungen S1 bis S6 stellt eine bekannte Stellung des Rotors des Motors dar, wobei diese Stellungen um 60º gegeneinander verdreht sind. Eine Bestimmung des derzeitigen Zustands liefert eine grobe Angabe über die Orientierung des Motors. Eine Null-Stellung oder -orientierung (d.h. 0º) kann einem ausgewählten Übergangspunkt, beispielsweise dem S3-S1-Übergangspunkt zugeordnet werden. Relativ zu dieser zugeordneten Null-Stellung tritt der Übergangspunkt von S1 zu S5 bei 60º auf. Ähnlich liegt der Übergang von S5 zu S4 bei 120º, von S4 zu S6 bei 180º, von S6 zu S2 bei 240º, von S2 zu S3 bei 300º und von S3 zu S1 bei 360º, welche auch die 0º-Stellung ist. Eine Folge von Lagezuständen S1-S5-S4-S6-S2-S3-S1, oder irgendein Teil hievon, steht für eine Drehung des Rotors im Uhrzeigersinn (siehe Fig. 15). Umgekehrt steht eine Folge S1-S3-S2-S6-S4-S5-S1, oder irgendein Teil hievon,für eine Drehung im Gegenuhrzeigersinn (siehe Fig. 16). Es soll betont werden, daß nur ein einziger solcher Übergang zwischen Positionszuständen für die Bestimmung der Drehrichtung des Motors 14 erforderlich ist.
In Fig. 17 ist ein Fließschema für ein DSP-Unterprogramm zum Bestimmen der Drehrichtung, der Drehzahl und der Stellung des Rotors gezeigt. Folgt man den Stellungszuständen S1 bis S6, dann ist die grobe Stellung des Motors 14 stets bekannt (Modul 502). Der DSP 70 überprüft die Positionszustände S1 bis S6, um die Drehrichtung des Motors zu bestimmen (Modul 504). Der DSP 70 sieht dann auf die Flanke und den Wert der Umhüllenden GPOSA, GPOSB und GPOSC, um die augenblickliche Drehzahl bzw. die Lage des Rotors genau zu bestimmen. Wie oben beschrieben, enthalten die Umhüllenden GPOSA, GPOSB und GPOSC eine Reihe von von den analogen Positionssignalen APOSA, APOSB und APOSC abgeleiteten Prüfwerten. Der DSP 70 erfaßt Proben von der eine Nicht-Null-Flanke aufweisenden Umhüllenden (Modul 506). Für den Positionszustand S1 wird die Drehzahl aus der Flanke der Umhüllenden GPOSB bestimmt. Die restlichen Umhüllenden und ihre entsprechenden Zustände sind in Tabelle 1 gezeigt. Die Flankenneigung der Umhüllenden GPOSA, GPOSB oder GPOSC wird als Differenz zwischen aufeinanderfolgenden Prüfwerten, geteilt durch die Prüfzeit, berechnet (Modul 508). In dem Maße wie die Prüfzeit sich dem Wert Null nähert, nähert sich die Flankenneigung der augenblicklichen Drehzahl. Wenn die Flanke der ausgewählten Umhüllenden GPOSA, GPOSB oder GPOSC negativ ist, wird ihr Vorzeichen umgekehrt, so daß die Drehzahl stets einen positiven Wert annimmt. Die augenblickliche Drehzahl kann als Drehzahlrückführsignal verwendet werden. TABELLE 1 Positionszustand Motordrehzahl
Die augenblickliche Drehzahl des Motors 14 wird anschliessend integriert, um die Feinstellung des Motors 14 (d.i. die genaue Winkellage) des Motors zu bestimmen (Modul 510). Die augenblickliche Lage wird durch Kombinieren der Groblage und der Feinlage bestimmt (Modul 512). Ein Beispiel kann die Vorgangsweise am besten erläutern. Wenn sich der Motor 14 aus dem Positionszustand S5 zum Positionszustand S1 bewegt, kann der DSP 70 bestimmen, daß die Drehung im Gegenuhrzeigersinn erfolgt. Eine Bestimmung der Flankenneigung der ausgewählten Umhüllenden GPOSB liefert die genaue Winkelgeschwindigkeit, beispielsweise 1000 Umdrehungen pro Sekunde (U/min) oder 360 000º je Sekunde. Zu jedem gewünschten Zeitpunkt nach einem Positionszustand, beispielsweise 56 usec nach dem Umschalten von S5 nach S1 wird die Flankenneigung über die gewünschte Zeit integriert. Die Integration zeigt an, daß sich der Rotor um -20º aus dem Zustand S5 heraus verdreht hat. Durch Addieren der Groblage (60º) und der Feinlage (-20º) ergibt sich eine genaue Lage (40º) vom Nullpunkt. Der DSP 70 führt diese Berechnung dauernd durch. Der DSP 70 bringt die sich verändernden Drehzahlen auf den neuesten Stand, um erneut die genaue Lage des Motors 14 zu berechnen. Das Nachführen auf den neuesten Stand erfolgt 10 000-mal je Sekunde. Der DSP 70 kann somit die genaue Winkellage des Rotors des Motors verfolgen. Die genaue Winkellage wird als Positions-Rückführsignal verwendet.
In Fig. 18 ist ein DSP-Unterprogramm zum Bestimmen der Stromrückführung gezeigt. Der DSP 70 prüft und liest die Referenzströme CURAREF, CURBREF und CURCREF vom Puffer 112 (Modul 602). Anschließend werden durch den DSP 70 Steuersignale über den Leiter 62 an den Multiplexer 60 abgegeben und die digitalen Phasenströme DCURA, DCURB und DCURC aus dem A/D-Konverter 68 gelesen (Modul 604). Die digitalen Phasenströme DCURA, DCURB und DCURC geben nicht die Polarität des die zugehörige Phasenwicklung A, B oder C erregenden Stromes wieder. Der DSP 70 muß daher die Polarität eines jeden digitalen Stromes DCURA, DCURB und DCURC ermitteln. Da die Prüf- und Haltekreise 96, 98 und 100 auf das Überprüfen der Analogströme ACURA, ACURB und ACURC an der Hinterflanke des 50 kHz-Erregersignals synchronisiert sind, ist die Polarität des Phasenstromes bei auf L-Niveau befindlichem Referenzstrom positiv (siehe Fig. 19) und negativ wenn der Referenzstrom auf H-Niveau ist (Fig. 20). Der DSP 70 vergleicht jeden digitalen Strom mit seinem entsprechenden Referenzstrom. Wenn der Referenzstrom auf L-Niveau und der Digitalstrom auf H-Niveau liegt (Modul 606), ordnet der DSP 70 dem digitalen Strom einen positiven Wert zu (Modul 608). Wenn sowohl der Referenzstrom als auch der digitale Strom auf H-Niveau liegen (Modul 610), ordnet der DSP 70 dem digitalen Strom einen negativen Wert zu (Modul 612).
In Kenntnis der Polarität der Ströme kann der DSP 70 eine Prüfung auf Unausgeglichenheit des Motors vornehmen. Eine Unausgeglichenheit des Motors kann durch Temperaturveränderungen verursacht werden, welche die Impedanz der Wicklungen A, B und C beeinflussen. Eine Unausgeglichenheit des Motors kann auch dadurch verursacht werden, daß eine Wicklung A, B oder C einen Masseschluß erfährt. Zwecks Prüfung auf eine Unausgeglichenheit des Motors summiert der DSP 70 die Ströme (Modul 614). Falls die Summe nicht etwa gleich ist Null (Modul 616), gibt der DSP 70 ein Fehlerzeichen ab, welches anzeigt, daß sich der Motor in einem unausgeglichenen Zustand befindet (Modul 618).
Schließlich verwendet der DSP 70 die digitalen Positionssignale DPOSB, DPOSC und DPOSA für die Auswahl eines Referenzstromes DCURA, DCURB oder DCURC, wobei diese Auswahl als Rückführstrom (Modul 620) verwendet wird. Die Auswahl erfolgt entsprechend der in Fig. 21 gezeigten Tabelle. Wenn beispielsweise der Positionszustand S1 für eine Drehung im Uhrzeigersinn festgestellt wird, werden die Wicklungen A und C durch Kommutiersignale A+ bzw. C- erregt. Der DSP 70 prüft somit den aus der Wicklung C heraus in die Gleichstromrückleitung 38 fließenden Strom. Wenn der Referenzstrom CURCREF für die Wicklung C auf H-Niveau liegt, wählt der DSP 70 den positiven Absolutwert des digitalen Stromes DCURC als Rückführstrom. Die positive Polarität zeigt an, daß der Strom ACURC in positiver Richtung fließt. Wenn jedoch der Referenzstrom CURCREF auf L-Niveau liegt, wählt der DSP 70 den negativen Absolutwert des digitalen Stromes DCURC. Die negative Polarität zeigt an, daß der Strom ACURC in negativer Richtung fließt.
In den Figuren 22 und 23 ist ein Fließschema eines DSP-Programms zum Regeln (Regelkreis) des Motors 14 gezeigt. Bei eingeschalteter DMC 10 nimmt der DSP 70 das Programm vom Speicher 71 auf und beginnt dieses auszuführen (Modul 700). Der DSP 70 bewirkt eine Unterbrechung, welche alle 20 usec erfolgt (Modul 702). Während jeder Unterbrechung schaltet der DSP 70 auf das Unterbrecher-Unterprogramm um (siehe Fig. 6). Anderenfalls wird durch den DSP 70 der digitale Positionsbefehl POSCMD gelesen und die Strom-, Drehzahl- und Positionsschleife bedient. Es ist jedoch zu bemerken, daß jede dieser Schleifen umgangen werden kann. Beispielsweise kann die Positionsschleife dadurch umgangen werden, daß für die Drehrichtung und die Drehzehl Befehle von außen zugeführt werden. Der DSP 70 würde dann den Drehzahlbefehl direkt zur Drehzahlschleife und den Drehrichtungsbefehl direkt zur Kommutierlogikzelle 72 weitergeben. Alternativ kann die Positions- und die Drehzahlschleife dadurch umgangen werden, daß ein Strombefehl und ein Drehrichtungsbefehl direkt dem DSP 70 zugeführt wird. Der DSP 70 würde den Strombefehl direkt an die Stromschleife und den Drehrichtungsbefehl direk an die Kommutierlogikzelle 72 abgeben.
Der DSP 70 entnimmt den digitalen Positionsbefehl POSCMD der Datenleitung 18 (Modul 704). Der digitale Positionsbefehl POSCMD kann einen Maximalwert von beispielsweise 360 000 annehmen. Ein Wert von "0" würde die Nullstellung des Rotors anzeigen und ein Wert von "1" würde einem Tausendstel einer Verdrehung des Rotors um einen Grad aus der Nullstellung heraus entsprechen. Diese als Beispiele gebrachten Werte erläutern lediglich die durch die vorliegende Erfindung ermöglichte Präzision. Alternativ kann dem DMC 10 ein analoger Positionsbefehl zugeführt werden. Der DMC 10 würde lediglich den Analogbefehl in ein Digitalsignal umwandeln. Weiters können diese Analogsignale als Alternativen zu den vom Stellungssensor 16 und vom Stromsensor 20 gelieferten Signalen verwendet werden. Der DSP 70 kann so programmiert werden, daß er den Stellungsbefehl POSCMD zwischen Maximal- und Minimalwerten eingrenzt. Wenn beispielsweise der DMC 10 den Betrieb eines Ventils steuert, welches bei 0º geschlossen und bei 90º geöffnet wird, würde der DSP 70 die Minimal- und Maximalwerte zwischen 0º und 90º begrenzen. Die Maximal- und Minimalwerte könnten im Speicher 71 gespeichert werden.
Wenn die Positionsrückführung durch das Unterbrecherunterprogramm (Modul 706) beigestellt wird, schließt der DSP 70 die Positionsschleife. Im Modul 708 erfaßt der DSP 70 die Differenz der Positionsrückführung und des Positionsbefehls POSCMD,um ein Positionsfehlersignal herzuleiten, welches die Drehrichtung des Motors und die Stellung des Motors anzeigt, zu welcher hin der Rotor verdreht werden sollte. Die Polarität des Positionsfehlersignals kann der Kommutierlogikzelle 72 als Richtungsbefehl DIRCMD zugeführt werden. Das Positionsfehlersignal kann so geregelt werden, daß nahe bei einer Ausgangsgröße von Null liegende inkonsequente Abweichungen ausgeschieden werden. Anschliessend wird das Positionsfehlersignal in einen Drehzahlbefehl umgewandelt. Beispielsweise kann die Drehzahl dem Positionsfehlersignal linear proportional sein. In den Modulen 710 bis 716 wird der Drehzahlbefehl zwischen einer oberen Grenze UP_LIM und einer unteren Grenze LOW_LIM eingegrenzt, womit eine Beschädigung des Motors 14 und von Antriebsteilen wegen überhöhter Drehzahl vermieden werden.
Wenn die Drehzahlrückführung vom Unterbrecher-Unterprogramm und der Drehzahlbefehl von der Positionsschleife zur Verfügung gestellt wird (Modul 718), wird die Drehzahlschleife vom DSP 70 geschlossen. Der DSP 70 verwendet die Differenz des Drehzahlbefehls und des Drehzahlrückführsignals um ein Drehzahlfehlersignal abzuleiten, welches reguliert und in einen Strombefehl umgewandelt wird (Modul 720). Der Strombefehl wird zwischen oberen und unteren Grenzen I_UP_LIM und I_LOW_LIM eingegrenzt, womit ein Motorüberstrom oder Motorunterstrom vermieden wird (Module 722 bis 728).
Wenn die Stromrückführung vom Unterbrecherunterprogramm und der Strombefehl von der Drehzahlschleife zur Verfügung gestellt wird (Modul 730), wird die Stromschleife durch den DSP 70 geschlossen. Der DSP 70 verwendet die Differenz aus Strombefehl und Stromrückführung zum Ableiten eines Stromfehlersignals, welches reguliert und in einen befohlenen Arbeitszyklus VOUT umgewandelt wird (Modul 732). Der befohlene Arbeitszyklus VOUT wird durch eine obere Grenze UPPER_LIM und eine untere Grenze LOWER_LIM eingegrenzt (Module 734 bis 740). Der DSP 70 nimmt auch eine Einstellung des Intervalls EPS vor, um komplementäre Schalter daran zu hindern, zum gleichen Zeitpunkt einzuschalten (Modul 742). Temperaturänderungen beeinflußen die durch die Wicklungen A, B und C fließenden Ströme. Eine vom Strom DCURDC des Gleichstromanschlußes und von der Stromrückführung angezeigte Erhöhung des Stromes ist der Grund dafür, daß die Transistoren im Inverter 12 eine längere Zeitspanne für die Entladung benötigen. Deshalb verlängert der DSP 70 das Intervall EPS, um den Transistoren vor dem Einschalten der komplementären Transistoren Zeit für die Entladung zu geben. Durch das automatische Verlängern des Intervalls EPS vermeidet der DSP 70 das Auftreten eines Durchschießens. Anschließend werden erforderlichenfalls durch den DSP 70 die oberen und unteren Grenzen für Drehzahl, Strom bzw. Arbeitszyklus erneut eingestellt (Modul 744). Die Temperatursensoren sind im Inverter 12 zu dem Zweck vorgesehen, die Temperatur des Motors 14 anzuzeigen. Der DSP 70 überwacht die von den Temperatursensoren gelieferten Temperaturen. Im Falle einer Übertemperatur kann der DSP 70 die oberen Grenzen UP_LIM, I_UP_LIM und UPPER_LIM absenken. Wenn beispielsweise der Inverter 12 heiß wird, erniedrigt der DSP 70 die obere Grenze I_UP_LIM von 50A auf 30A. Anders als bei vorbekannten Systemen kann der DMC 10 seine Grenzen einstellen, ohne abgeschaltet zu werden. Solcherart ist der DMC 10 ein sich selbst einstellender Regler. Der DSP 70 vereinigt den befohlenen Arbeitszyklus und das Intervall EPS zum Arbeitszyklusbefehl DCCMD, welcher über die Datenleitung 82 zur Kommutierlogikzelle 72 gesendet wird (Modul 746). Anschließend liest der DSP 70 einen neuen digitalen Positionsbefehl POSCMD (Modul 704).
Der digitale Motorregler 10 kann für das Regeln von Motoren beliebiger Größe ausgelegt werden. Bei großen Motoren benötigt der oben liegende Gleichstromanschluß ein hohes Arbeitspotential. In der Regel reicht der von der Kommutierlogik 72 zur Verfügung gestellte Strom nicht dazu aus, die den oberen Satz von Schaltern 24, 26 und 28 im Inverter 12 bildenden Transistoren einzuschalten. Deshalb ist der Inverter 12 mit Treibern (Toren als Treiber) ausgestattet, welche es niedrigen Strömen ermöglichen, diese Transistoren einzuschalten. Die Eingänge dieser Treiber werden mit den Kommutiersignalen A+, B+ und C+ versorgt und die Ausgänge der Treiber werden an die Basen jener zugehörigen Transistoren angeschlossen, welche die oberen Schalter 24, 26 und 28 bilden. Somit können die Kommutiersignale A+, B+ und C+ die ihnen zugeordneten Transistoren einschalten.
Es ist somit ein Vielfachschleifenregler geoffenbart, welcher an einen großen Bereich von Anwendungsarten angepaßt werden kann. Der DMC 10 ergibt einen Schutz für Motor und für Kreise, welche für Überdrehzahlen, Überstrom, Übertemperatur und für Positionssensorausfall zuständig sind. Durch Einstellen der Grenzen für Drehzahl, für Strom und für Arbeitszyklus und des Intervalls EPS für Temperaturänderungen wird der DMC 10 ein sich selbst einstellender Regler, welcher eine optimale Steuerung ermöglicht.
Weiters ist der DMC 10 ein 4-Quadranten-Positionsregler, welcher einen glatten Übergang von einem Quadranten zum anderen, vom Abbremsen zum Antreiben, erlaubt. Es ergibt sich eine glatte Regelung des Motors 14 für entgegengesetzt gerichtete Belastungen, aber auch für einander unterstützende Belastungen. Das Abbremsen führt zu einer größeren dynamischen Steifigkeit des Rotors, also zu einer erhöhten Möglichkeit, den Rotor an Ort und Stelle zu halten.
Weiters bietet der DMC 10 eine vorteilhafte Methode zum Messen der Drehzahl. Vorbekannte Drehzahlwandler müssen zwecks Bestimmung der Drehzahl auf einen Nulldurchgang des Positionssignals warten. Im Falle der vorliegenden Erfindung kann jedoch die Drehzahl innerhalb eines einzigen Prüfzeitraumes (von beispielsweise 20 usec) ermittelt werden. Somit kann der DMC 10 niedrige Drehzahlen schneller und mit geringerer Welligkeit messen als die Drehzahlregler gemäß dem vorbekannten Stand der Technik.
Weiters können auch mehrere DMC's 10 zwecks Lastverteilung im Parallelbetrieb betrieben werden. Für den Parallelbetrieb muß zwischen den zusammenwirkenden DMC's 10 sowohl statistische als auch dynamische Lastverteilung gegeben sein, so daß der Machtkampf so gering als möglich gehalten wird. Weiters wird in der Positionsschleife ein Last-Schub-Regler (buck-boost-regulator) in solcher Weise verwendet, daß beide DMC's 10 identische Drehzahlbefehle abgeben. Weiters ist ein Last-Schub-Regler in der Drehzahlschleife vorgesehen, so daß beide DMC's 10 identische Strombefehle abgeben. Auf diese Weise werden zwei oder mehr DMC's 10 völlig linear, so daß sie ohne Machtkampf parallel betrieben werden können. Last-Schub-Regler sind dem Fachmann auf diesem Gebiet gut bekannt.
Obzwar in der vorliegenden Beschreibung bevorzugte Ausführungsformen im einzelnen dargestellt und erläutert worden sind, ist doch einzusehen, daß zahlreiche Modifikationen und Variationen der vorliegenden Erfindung für den Fachmann auf dem Gebiet im Licht der obigen Lehren möglich sind. Aus diesem Grunde ist die vorliegende Erfindung nicht durch die spezielle Offenbarung in der Beschreibung sondern nur durch die beiliegenden Patentansprüche eingeschränkt.

Claims

1. Vorrichtung zum Regeln eines einen Rotor und mehrere Statorwicklungen (A, B, C) aufweisenden bürstenlosen Motors (14), wobei die Vorrichtung Positionssensoren (40, 42, 44) zum Erzeugen von die Stellung des Rotors relativ zu den Wicklungen (A, B, C) anzeigenden Analogsignalen (APOSA, APOSB, APOSC), Positionssignaleinrichtungen zum Erzeugen von digitalen Positionssignalen (DPOSA, DPOSB, DPOSC) in Abhängigkeit von den erwähnten Analogsignalen (APOSA, APOSB, APOSC), eine Decodiereinrichtung (72) zum Umwandeln der digitalen Positionssignale (DPOSA, DPOSB, DPOSC) in Kommutierbefehle (A+, A-, B+, B-, C+, C-) und einen Inverter (12) zum Erregen ausgewählter Wicklungen (A, B, C) entsprechend den Kommutierbefehlen (A+, A-, B+, B-, C+, C-) aufweist, wobei die Positionssignaleinrichtungen gekennzeichnet sind durch

auf die Positionssensoren (40, 42, 44) ansprechende Prüfeinrichtungen (52, 54, 56) zum Digitalisieren der Analogsignale (APOSA, APOSB, APOSC) und

eine auf die Ausgangsgrößen der Prüfeinrichtungen (52, 54, 56) ansprechende Microprozessoreinrichtung (70) zum Erzeugen der erwähnten digitalen Positionssignale (DPOSA, DPOSB, DPOSC).

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, worin die erwähnte Microprozessoreinrichtung (70) durch mehrere Vergleicheinrichtungen (70) gekennzeichnet ist, von welchen jede einem Positionssensor (40, 42, 44) zugeordnet ist und Prüfwerte vom erwähnten zugeordneten Positionssensor mit Prüfwerten eines angrenzenden Positionssensors vergleicht, wobei ein Ausgang einer jeden der Vergleicheinrichtungen (70) in einen ersten Zustand übergeht, wenn der erwähnte Prüfwert vom erwähnten zugeordneten Positionssensor größer ist als der Prüfwert vom erwähnten benachbarten Positionssensor, der erwähnte Ausgang der erwähnten Vergleicheinrichtung (70) in einen zweiten Zustand übergeht, wenn der erwähnte Prüfwert aus dem erwähnten zugeordneten Positionssensor kleiner ist als der erwähnte Prüfwert aus dem erwähnten benachbarten Positionssensor und die Ausgangsgrößen der erwähnten Vergleichseinrichtung (70) die erwähnten Positionssignale (DPOSA, DPOSB, DPOSC) beistellen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, worin die erwähnte Invertereinrichtung (12) Transistoren (24 bis 34) zum Erregen der erwähnten Wicklungen (A, B, C) im Ansprechen auf die erwähnten Kommutierbefehle (A+, A-, B+, B-, C+, C-) und Stromerfaßeinrichtungen (22) für die Stromanzeige an einem hochliegenden Gleichstromanschluß (36) aufweist, wobei die Kommutierbefehle aus der erwähnten Decodiereinrichtung (72) den erwähnten Motor (14) antreiben und abbremsen können, die Decodiereinrichtung (72) durch eine Intervalleinrichtung gekennzeichnet ist, welche die Zeit des leitenden Zustands der erwähnten Transistoren (24 bis 34) um ein solches Intervall verkürzt, daß die oberen Transistoren (24 bis 38) nicht zur gleichen Zeit leiten wie ihre komplementären unteren Transistoren (30 bis 34) und die erwähnte Microprozessoreinrichtung (70) weiters durch Einrichtungen (70) zum Einstellen des erwähnten Intervalls für den Fall, daß der von der Stromerfaßeinrichtung angezeigte Strom einen Schwellenwert übersteigt, gekennzeichnet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, welche weiters Stromsensoren (84, 86, 88) zum Anzeigen der durch die erwähnten Wicklungen (A,B,C) fließenden Stromes aufweist, wobei die erwähnte Vorrichtung weiters durch auf die erwähnten Stromsensoren (84, 86, 88) ansprechende Polaritätseinrichtungen zum Hinzufügen von Polaritäten zu den von den erwähnten Stromsensoren (84, 86, 88) angezeigten Strömen gekennzeichnet ist, und die erwähnte Microprozessoreinrichtung (70) weiters durch Auswähleinrichtungen (70) gekennzeichnet ist, welche auf die Ausgangsgrößen der erwähnten Polaritätseinrichtung (70) und auf die erwähnten Positionssignale (DPOSA, DPOSB, DPOSC) anspricht, um einen von einem der erwähnten Stromsensoren (84, 86, 88) angezeigten Strom als Rückführstrom auszuwählen.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, worin die erwähnte Microprozessoreinrichtung (70) weiters durch eine auf die erwähnten Prüfeinrichtungen (52, 54, 56) ansprechende Drehzahlrückführeinrichtung (70) zum Bestimmen der Motordrehzahl gekennzeichnet ist, die erwähnte Drehzahlrückführeinrichtung (70) eine Wähleinrichtung (70) zum Auswählen einer Ausgangsgröße einer der Prüfeinrichtungen (52, 54, 56) entsprechend den erwähnten Positionssignalen (DPOSA, DPOSB, DPOSC) aufweist, eine auf die erwähnte Wähleinrichtung (70) ansprechende Differenzbildungseinrichtung (70) zum Ermitteln einer Differenz von aufeinanderfolgenden Prüfwerten aus den erwähnten Prüfeinrichtungen (52, 54, 56) vorgesehen ist und eine auf eine Ausgangsgröße der erwähnten differenzbildenden Einrichtung (70) ansprechende Teileinrichtung (70) zum Dividieren der erwähnten Differenz durch eine Prüfdauer vorgesehen ist, wobei eine Ausgangsgröße der erwähnten Teileinrichtung (70) ein Drehzahlrückführsignal beistellt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, worin die erwähnte Microprozessoreinrichtung (70) weiters durch eine Positionsrückführeinrichtung (70) zum Bestimmen der Stellung des erwähnten Rotors gekennzeichnet ist, wobei die erwähnte Positionsrückführeinrichtung (70) eine auf die erwähnten Positionssignale (DPOSA, DPOSB, DPOSC) ansprechende Grobeinrichtung (70) zum Anzeigen der Grobstellung des erwähnten Rotors, Drehrichtungseinrichtungen (70) zum Anzeigen der Drehrichtung des Motors durch Anzeigen von Übergängen in den erwähnten Grobstellungen, auf die erwähnte Drehzahlrückführeinrichtung (70) und die erwähnte Drehrichtungseinrichtung (70) ansprechende Feinstellungseinrichtung (70) zum Ermitteln der Feinstellung aus jedem erwähnten Übergang durch Integrieren des erwähnten Drehzahlrückführsignals während einer Zeitspanne nach geschehenem Übergang und Addiereinrichtungen (70) zum Zusammenaddieren der erwähnten Grobstellung und der erwähnten Feinstellung aufweist, wobei ein Ausgang der erwähnten Addiereinrichtung (70) ein Positionsrückführsignal beistellt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, in welcher ein Strombefehl dazu verwendet wird, den dem erwähnten Motor (14) zugeführten Strom zu befehligen, wobei die erwähnte Microprozessoreinrichtung (70) weiters durch eine auf den erwähnten Strombefehl und auf ein Stromrückführsignal ansprechende geschlossene Stromschleife (70) zwecks Ausbildung eines geschlossenen Regelkreises für den erwähnten Motor gekennzeichnet ist, wobei die erwähnte geschlossene Stromregelschleife (70) einen Arbeitszyklusbefehl für die erwähnte Decodiereinrichtung (72) zur Regelung des Motordrehmoments und eine Begrenzereinrichtung (70) zum einstellbaren Begrenzen eines jeden Arbeitszyklusbefehls zwischen oberen und unteren Grenzen vorgesehen ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, in welcher ein Drehzahlbefehl zum Befehligen der Drehzahl des erwähnten Motors (14) vorgesehen ist, wobei die erwähnte Microprozessoreinrichtung (70) weiters gekennzeichnet ist durch eine auf den erwähnten Drehzahlbefehl und auf ein Drehzahlrückführsignal ansprechende geschlossene Drehzahleinrichtung (70) zum Ausbilden einer geschlossenen Regelschleife für die Drehzahl des erwähnten Motors (14), wobei eine Ausgangsgröße der erwähnten geschlossenen Regelschleife (70) für die Drehzahl den erwähnten Strombefehl beistellt und eine Begrenzereinrichtung (70) zum einstellbaren Begrenzen des erwähnten Strombefehls zwischen oberen und unteren Grenzen vorgesehen ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, in welcher ein Positionsbefehl zum Befehligen der Stellung des erwähnten Motors (14) verwendet wird, wobei die Microprozessoreinrichtung (70) weiters durch eine auf ein Positionsrückführsignal und auf den erwähnten Positionsbefehl ansprechende Positionseinrichtung (70) mit geschlossener Schleife zwecks Schaffung einer geschlossenen Regelschleife für die Position des erwähnten Motors (14) gekennzeichnet ist, wobei eine Ausgangsgröße der erwähnten Positionsregeleinrichtung (70) mit geschlossener Regelschleife den erwähnten Drehzahlbefehl beistellt und eine Begrenzereinrichtung (70) zum einstellbaren Begrenzen des Drehzahlbefehls zwischen oberen und unteren Grenzen vorgesehen ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, welche weiters Temperatursensoreinrichtungen zum Anzeigen der Temperatur des erwähnten Motors (14) aufweist, wobei die Microprozessoreinrichtung (70) weiters durch auf die Ausgangsgrößen der erwähnten Temperatursensoreinrichtungen ansprechende Einstelleinrichtungen (70) zum Einstellen der erwähnten oberen und unteren Grenzen in Abhängigkeit von Temperaturänderungen des erwähnten Motors (14) gekennzeichnet ist.