SE455034B - Drivkrets for en reluktansmotor - Google Patents

Description

15 20 25 30 (U UI 455 034 rotorlägesintervall, där amperevarv hos lindningen ger mins- kande permeans med rotorförflyttningen. Som nämnts ovan är det vanligaste sättet därvid att använda extra rotorsensorer för att löpande avkänna rotorlâget och styra drivmatningen med en sensorstyrd krets.

Ett önskemål är emellertid att slippa dessa rotorlägessensorer.

Flera försök har gjorts att utnyttja variationen hos ström- el- ler spânningskarakteristiska hos statorlindningarna och omgi- vande kretsar för att ge indikation på lämpliga tidpunkter för tillslag och frånslag av drivspänningen. Ett speciellt problem hos switchade reluktansmotorer av drivmotortyp är att dessa skall kunna köras vid både höga och låga varvtal. De flesta tidiga system med avkänning av motorkarakteristika för styrning av drivspänningen har främts avsett stegmotorer och fungerar bra för relativt låga varvtal, men sämre eller inte alls när varvtalet överstigit 50 % av motorns maximala varvtal.

I en känd reluktansmotorstyrning beskriven 1 US 3 980 933 avkännes den i statorlindningen inducerade elektromotoriska kraften (EMK) när rotorn roterar och när utgången från en omkopplingsanordning är oledande. Omkopplingsanordningens utgång görs ledande när EMK når en i förväg bestämd nivå. Denna motor kräver en avsevärd förspänningsström för att ge tillräck- liga störmarginaler. Detta ger förlusteffekt. Eftersom det inte går någon drivande ström i lindningen under den tidsperiod, när rotorläget detekteras, kan man inte belasta motorn maximalt. Då måste det gå drivande ström i någon av faslindningarna hela tiden.

I en annan känd reluktansmotorstyrning visad 1 US 4 520 302 mäts den tid. under vilken strömflödet genom en statorlindning stiger eller faller från en nivå till en annan för att ge rotorlägesindikering. Enbart strömflödet detekteras sålunda vid denna styrning. Detta system, som är tillkommet för styrning av en stegmotor, ger dålig upplösning vid höga varvtal överstigan- de t.ex. 50 % av motorns maximala varvtal. 10 15 20 25 30 35 455 054 Uppfinningen har till uppgift att åstadkomma en drivkrets till en reluktansmotor, som ej använder någon rotorsensor men som ändå kan driva motorn i alla hastigheter och belastningar.

Detta uppnås med en drivkrets, som erhållit de i patentkravet 1 angivna kännetecknen. Ytterligare särdrag hos uppfinningen anges i övriga patentkrav.

Enligt uppfinningen härleds vid varvtal över ett visst varvtal vn en signal för frànslag av spänningsmatning till en lind- ning direkt ur bâde strömmen genom och spänningen över lind; ningen utan att notordrivningen pâverkas direkt av mätningen.

Han får på detta sätt en funktion. som vid varvtal över vn helt motsvarar den man erhåller för rotorpositionsgivare. Under rotorns rotation ändrar sig induktansen hos varje statorlind- ning enligt en bestämd kurvform på grund av den vid rotationen varierande permeansen. För varje faslindning detekteras i en- lighet med uppfinningen den tidpunkt. när induktansen hos lind- ningen har en i förväg bestämd induktans, Lk. En beräknings- enhet beräknar sedan en tidpunkt efter den detekterade tid- punkten för att stänga av drivspänningen till lindningen.

Uppfinningen beskrivs närmare nedan under hänvisning till de bifogade ritningarna, där fig. l visar ett schema på en utföringsform av styranordningen enligt uppfinningen. fig. 2 - 5 visar diagram för att illustrera uppfinningens arbetssätt, fig. 6 visar en krets för att komplettera kretsen i fig. l, och fig. 7 visar ytterligare ett diagram för att illustrera upp- finningens arbetssätt.

Fig. 1 visar tre faslindningar Ll, L2. L3 hos statorn på en trefas reluktansmotor. Uppfinningen är på intet sätt begränsad till antalet faser hos motorn. Tre faser är enbart givet som exempel. Motorn drivs av en likspänning V. som exempelvis kan vara 310 V. vilket är vanligt för reluktansmotorer av drivtyp och av switchad typ. Mellan jord och spänningskällans plus-pol ligger faslindningen Ll 1 en krets innefattande ett strömmät- 10 15 20 25 30 35 455 034 motstånd Rl. emitter-kollektor-sträckan på en effekttransistor Tal, faslindningen l och en effekttransistor Tbl. I kretsen styrs den undre transistorn Tal till bottning under hela den tid faslindningen Ll skall ha drivning under det att den övre transistorn Tbl pulsas under fasens drivintervall på det sätt som är vanligt vid switchade reluktansmotorer, där varje driv- puls för en fas uppdelas i delpulser. Delpulsuppdelningen utgör ingen del av själva uppfinningen och beskrivs därför icke närmare. En diod Dal är kopplad med anoden till jord och med katoden till den från transistorn Tal vända delen av faslind- ningen Ll för att upprätthålla strömmen genom faslindningen_Ll genom hela drivpulsintervallet. En diod Dbl är kopplad med anoden till den från transistorn Tbl vända delen av faslind- ningen Ll och plus-polen för att ge en strömkrets med snabb bortledning av strömmen i faslindningen Ll så snart transistorn Tal frånkopplas, dvs. spärras.

De övriga faslindningarna L2 och L3 är inkopplade i var sin krets av samma typ. Sålunda är faslindningen L2 inkopplad i en krets med ett strömmätmotstând R2, två effekttransistorer Ta2, Tb2 och tvâ dioder Da2. Db2, och faslindningen L3 i en krets med ett strömmätmotstând R3. tvâ effektdioder Ta3, Tb 3 och tvâ dioder Da3. Db3.

Från- och tillslag av transistorerna styrs av en styrenhet l.

Denna är lämpligen en mikrodator även om en krets uppbyggd av konventionella kretselement är tänkbar 1 stället. Styrenheten 1 har sex utgångar, vilka via var sin förstärkare 2 är anslutna till styret på var sin av transistorerna Tal, Ta2. Ta3, Tbl.

Tb2, Tb3 i och för individuell styrning av dessa.

Enligt uppfinningen skall för varje faslindning den tidpunkt Qk bestämmas när induktansen L 1 faslindningen på en uppåt- gàende del av induktanskurvan passerar genom ett i förväg bestämt induktansvärde Lk. För att testa villkoret L>Lk jämförs den integrerade spänningen över faslindningen med en produkt av strömmen genom lindningen och det bestämda induk- tansvärdet Lk. 10 15 20 25 30 455 034 Lk-villkoret. i fortsättningen kallat grundvillkoret, kan härledas enligt det följande: Differentialekvationen för lindningsströmmen är d (U-R'1) = 3; (L'i) (1) där U är spänningen över faslindningen, den under den aktuella fasens aktivering hela tiden tillslagna transistorn fal, Ta2 respektive Ta3 och strömmätmotstândet Rl, R2 respektive R3 (spänningsfallet över transistorn kan härvid försummas), R är resistansen hos det respektive strömmätmotständet Rl, R2. R3 adderat med resistansen i faslindningen och resistansen i den hela tiden tillslagna transistorn. L är den respektive fas- lindningens Ll, L2, L3 induktans, och i är strömmen genom fas- lindningen.

Ekvation 1 omformas till t (Li)'(Li) T=t Tëto (U-R'i)dT = to Om man integrerar från tillslag av drivspânningen till fasen (to=O) till tiden t och förutsätter att it =0, dvs. att - ingen ström flyter i lindningen vid fastillslag, så erhålles (L.i)t =0. eftersom it =0. Därav erhålles t ßr(U-R-i)dT = L(t)'i(t) O L där t är variabel 1 t J-(U-R-imï i(t) O v111x0;et L(t)>L(k) ge: L(t) = 10 15 20 25 30 h! U1 455 034 6 F 1 __. i(t)_J(U R 1)dT > Lk 0 dvs. t ílu-R-i)df > Lk-i(t) (2) 0 Ekvation (2) ger det ovan angivna Lk-villkoret eller grund- villkoret enligt uppfinningen. För att kontinuerligt testa grundvillkoret enligt ekvation (2), vilket ju för varje fas enbart behöver testas från tillslag av fasen till dess att grundvillkoret är uppfyllt, finns följande koppling för varje fas: För att löpande detektera spänningen U är en spänningsdelare innefattande två motstånd Ral. Rbl respektive Ra2, Rb2 respek- tive Ra3, Rb3 kopplad mellan jord och den i fig. 1 övre änden av faslindningen. Spänningsdelarens totala resistans är rela- tivt hög för att inte 1 onödan belasta faslindningskretsen. En lämplig bråkdel av spänningen U. dvs. k-U, uttas över det till jord anslutna motståndet Ral, Ra2 respektive Ra3. En multiplex- enhet 3 har en ingång ansluten till uttaget på var och en av de tre spänningsdelarna. Multiplexenheten 3 styrs av styrenheten l till att koppla signalen från spänningsdelaren för den faslind- ning, vars induktans skall mätas, till enhetens 3 utgång. Detta kan ske med enbart en styrledare och omkoppling sker då i cyk- lisk sekvens för varje 'l'-signal på styrledaren. För att er- hålla spänningen U divideras utsignalen från enheten 3 med k i en divideringskrets 4.

En multiplexenhet 5 har tre ingångar kopplade över var sitt av motstånden Rl, R2, R3. vilka alla har resistansen R'. Den fjärde ingången kommer att beskrivas längre fram i beskriv- ningen. Hultiplexenheten 5 styrs av styrenheten 1 synkront med styrningen av multiplexenheten 3. Styrenheten l ger dock här en digital signal för att ange vilken ingång som skall kopplas till utgången. 10 15 20 25 30 35 455 034 Utgângen från multiplexenheten 5 matas till en multiplicerings- enhet 6, vilken multiplicerar med resistansen R för hela lind- ningskretsen dividerat med resistansen R'. Utsignalen från kretsen 6 har värdet Ri. Utgângen pa divideringskretsen 4 med spänningen U är kopplad till (+)-ingången och utgången på mul- tipliceringskretsen 6 med spänningen Ri är kopplad till (-)-in- gången på en differentiator 7, så att spänningen på dess utgång blir (U-Ri). Denna signal matas till en integreringskrets 8, som integrerar signalen från kretsen 7 under tider bestämda av styrkretsen 1. Kretsen 8 påbörjar ny integrering med erhâllen styrsignal från styrenheten l. Denna styrsignal matas till kretsen 8 vid varje tillslag av en fas.

Utgangen på multiplexenheten 5 är också kopplad till en multi- pliceringsenhet 9, som multiplicera: signalen R'i med LK/R'.

Utsignalen från enheten 9 får då värdet Lk-i, där Lk är den induktans, som skall detekteras.

Signalerna från integratorn 8 och från multipliceringskretsen 9 matas till var sin ingång på en komparator 10, som ger en 'l'-signal på sin utgång. så snart signalen från integratorn 8 överstiger signalen från kretsen 9.

När styrenheten l får signal från komparatorn 10 och denna icke ligger inom ett otillâtet tidsintervall, såsom kommer att för- klaras närmare nedan. är detekteringen av den egenskap, som gäller den aktuella fasen, klar. Styrenheten l kan då direkt skicka styrsignal till multiplexenheterna 3 och 5 att koppla om och släppa igenom signaler härrörande från nästa fas i tur att bli detekterad. Alternativt kan de omkopplas vid tillslaget av nästa fas.

Det är naturligtvis möjligt att utföra hela beräkningen av grundvillkoret med faktorer som är k gånger värdena och därvid slippa kretsen 4.

Det bör observeras att styrenheten l emellertid inte frànkopp- lar den aktuella fasen direkt när grundvillkoret enligt ekva- 10 15 20 25 30 455 034 tion (2) är uppfyllt. vilket kommer att beskrivas närmare nedan i anslutning till diagrammen i fig. 2-5. Styrenheten l utför i stället beräkningar enligt ställda villkor för att få fram tidpunkten för frånslag av fasen. Villkoren är dels beroende på rotorns rotationshastighet v och dels beroende av strömmen i.

Värdet på strömmen i måste därför matas direkt till styrenheten 1. Utgången på multiplexenheten 5 är därför kopplad till en analog/digital-omvandlare ll och matas till en separat ingång på styrenheten l, som dividerar det erhållna värdet med R' för att få värdet på i. Värdet på i utnyttjas även vid drivning'av motorn inom lågvarvsområdet, vilket kommer att beskrivas när- mare längre fram 1 beskrivningen.

Såsom angives ovan ger Lk-villkoret eller grundvillkoret 1 ekvation (2) en Lk-villkorsvinkel Gk, som är beroende av strömstyrkan i lindningen, dvs i den faslindning, som just då drivs av styrenheten l. Detta är en konsekvens av att induktan- sen inte bara är en funktion av rotorns läge utan också av strömmen i. En illustration av detta visas i fig. 2. som visar variationen hos induktansen L i en fas som funktion av rota- tionsvinkeln 6 under något mer än ett varv. Fyra olika kurvor 11, 12, 13, 14 är inritade i diagrammet, där varje kurva är upptagen för en separat konstant strömstyrka, där ll är upptagen under en mycket låg strömstyrka och 14 för en mycket hög strömstyrka. Strömstyrkan beror i sin tur på bl.a. hur hårt motorn belastas eller drivs. Att kurvformen blir flackare för ökande strömstyrka beror på att järnet i motorns magnetkrets mättas i allt högre grad. Nu är det inte en konstant strömstyrka som är bestämmande för den verkliga kurvformen för induktansen L utan induktansen L varierar i enlighet med den momentana strömmen i. men fig. 2 illustrerar på ett åskådligt sätt hur induktansen varierar med strömstyrkan.

Han ser 1 fig. 2 att Sk för detekterat Lk förskjuts åt höger vid ökande strömstyrka. Enligt uppfinningen utförs därför en strömkompensering. Strömmen i mäts därför av styrenheten när Lk-villkoret är uppfyllt. En fördröjning QS efter Gk 10 15 20 25 30 35 9 455 034 införes, vilken fördröjning 65 är beroende av strömmen i lindningen. En låg ström ger stor fördröjning och en hög ström liten. Beroendet är icke helt linjärt med strömmen i och är till en viss del beroende pâ motorns konstruktion. Styrenheten l är försedd med sambandet mellan strömmen i för 6 för den k aktuella motorn och utför fördröjningen i enlighet med denna.

Vinkeln QOFF, dvs den rotorlägesvinkel. där drivningen av den aktuella fasen stängs av. bör dessutom variera med motorns rotationshastighet. Vid konstant QOFF får motorn serie- motorkarakteristik, dvs. effekten är omvänt proportionell mot varvtalet. Om man låter GOFF minska med ökande varvtal får motorn en flackare moment/varvtalskarakteristik och man kan genom att kontrollera QOFF få en motor med exempelvis konstant effekt. Detta uppnås genom att man inför ytterligare en fördröjning 60 förutom 65 före det att fasen stängs av vid GOFF, vilken fördröjning beror av rotations- hastigheten. I fig. 3 visas en kurvform över induktansen L som funktion av 6 för en motor som drivs med låg ström och vid lågt varvtal och fig. 4 visar en kurvform över induktansen L som funktion av 9 för en motor som drivs vid hög ström och vid högt varvtal. I fig. 3 ser man därvid att både QS, vilket är den strömberoende strömkompenseringen, och GU, vilket är den varvtalsberoende kompenseringen, är långa, så-att tiden mellan ek och GOFF blir relativt lång. I fig. 4 ser man att både 65 och 6G är korta, varigenom tiden mellan Bk och GOFF blir kort.

Variationsomrádet för ovan nämnda kompenseringar kan för en del motorer vara relativt stort, och då måste grundvillkoret L>Lk uppfyllas tidigt. Det är t.o.m. tänkbart att kompenserings- tiderna kan överstiga integrationstiden t. Detta illustreras i fig. 3, där den sammanlagda tiden av 65 och 90 är större än tiden mellan QON, vilken representerar den rotationsvinkel där fasen kopplas pâ, och ek. Eftersom drivkretsen enligt uppfinningen är ämnad att ersätta en sensor- krets för en reluktansmotor, och styrenheten 1 företrädesvis är en mikrodator, är det i en praktisk tillämpning lämpligt att 10 15 20 25k 30 35 455 034 10 låta tillverka en referensmotor försedd med normal sensorstyr- ning och undersöka där motorn med sensorstyrning ger frånkopp- ling av fasen vid SOFF genom att driva motorn vid olika varvtal och vid olika belastningar, indikera Sk och lagra fördröjningarna mellan Sk och QOF i ett fast minne i datorn.

F Såsom nämnts ovan är det drivtekniskt lämpligt att låta GOFF utgöra en kommuteringsvinkel, vid vilken övergång sker direkt från drivning av en fas till drivning av nästa. _ Vid höga varvtal skall kommutering ske mycket tidigt och fördröjningen GG går därvid mot noll. Då kan det hända att fastillslag vid Son för nästa fas LON grundvillkorsinduktansen Lk. LON kan också vara större än Lk om strömnivån l i föregående fas är hög vid kommuteringen, så att 65 blir liten. I fig. 5 visas detta förhållande. Den streckade kurvan illustrerar variationen hos induktansen L som funktion av 8 för i=0 och den heldragna kurvan illustrerar variationen L som funktion av 6 där i=ik=O. är större än Vid tillslag av en fas är i=0 1 denna fas. Då går induktansen utmed den streckade kurvan. Vid rotationsvinkeln 60" är induktansen i faslindningen Lou. Såsom framgår av vänstra sidan av diagrammet kan Lou då vara större än L och också k betydligt större än om strömmen ik skulle flyta i lindningen (se den heldragna kurvan).

Strömmen i stiger relativt långsamt från värdet 0 vid tillslag av fasen vid GON och är relativt låg under den första delen av tillslagsperioden under vilken L3Lm1n. Induktansen följer därvid här ungefär den streckade kurvan.

Det kan således finnas ett intervall av L-kurvan alldeles i början av matningen av en fas, dvs. från GON till GQ i fig. 5, under vilket grundvillkoret L>Lk är uppfyllt. Det gäller att förhindra att fasen stängs av under detta intervall.

Därför kan enligt uppfinningen detekteringen av grundvillkoret 5 10 15 20 25 30 35 455 034 ll blockeras under en viss tid efter fastillslaget fram till en vridningsvinkel GB, som ligger på god marginal från GQ.

Denna extra åtgärd med blockering kan insättas t.ex. för varv- tal över en fastställd nivå och/eller för strömmar ik över en fastställd nivå. Det är också möjligt att ha en dylik blocke- ring generellt. Tack vare en dylik blockering erhålles också bättre störmarginaler än utan blockering, genom att man slipper jämföra Lk-i och (U-R-i)d1 för små drivvinklar, under vilka båda storheterna är små.

Såsom angivits ovan har härledningen av Lk-villkoret enligt ekvation (2) gjorts under förutsättning att strömmen 1 i lindningen måste vara noll ampere vid fastillslag. Detta kan ställa till problem, eftersom återmatningsström flyter i faslindningen långt efter fasfrånslag vid 9 OFF' framgår av högra delen av kurvan i i diagrammet i fig. 5. såsom För att garantera att strömmen är noll i faslindningen vid tillslag införes enligt uppfinningen en blockering av fastill- slag fram till dess att strömmen säkert är noll. Denna ström mäts ju ej över strömmätmotstånden Rl, R2, R3. när fasen ej är ,tillslagen. eftersom den nedre transistorn Tal, Ta2, Ta3 _(fig. l) före tillslag är frånslagen. Blockeringsfunktionen vid fastillslag kan utföras på åtminstone två sätt. ° Det första sättet illustreras i fig. 6, som visar den tredje faslindningen L3 med dess drivkrets Ta3, Tb3, R3, Da3. Db3 tillsammans med styrenheten l och förstärkarna 2 i enlighet med fig. l och med tillägg till denna krets för att utföra till- slagsblockeringen. Varje faslindningskrets i fig. 1 skall därvid förses med samma tilläggsanordning som i fig. 6. Denna innefattar ett s.k. 'pull-up'-motstånd R som ansluts mellan den övre delen på faslindningen L3 och drivspänningens pluspol.

En spänningsdelare Rc och Rd kopplas i serie med 'pull-up'- -motståndet R och jord. Uttaget på spänningsdelaren Rc och Rd är kopplat till en komparator 12 till vars andra är ansluten. Så länge som återmatning ingång en referensspänning Uret pågår är spänningen över spänningsdelaren ungefär OV. Då åter- 10 15 20 25 30 35 455 034 12 mätningen är avslutad stiger spänningen via RP till ungefär matningsspänningen V.

Komparatorn 12 ger en logisk signal 'O' så länge som återmat- ning pågår och en 'l'-signal så snart atermatningen är avslu- tad. Det går naturligtvis lika bra att känna av det nedre lindningsuttaget på faslindningen med ett s.k. 'pull-down'- -motstånd eller att använda samma princip för någon annan lindningskonfiguration, t.ex. bifilärlindning. Detta visas emellertid icke i någon figur.

Det andra sättet för tillslagsblockering är att man utnyttjar det faktum, att återmatningstiden alltid är kortare än driv- tiden vid konstant matningsspänning V. Detta framgår om man betraktar kurvan i 1 fig. 5. Vid rotorns vridningsvinkel GOFF kopplas faslindningen från. Efter detta ögonblick sjunker strömmen i utmed en exponentialkurva och når värdet 0 vid vridningsvinkeln em. Tiden mellan BOFF och Gm är därvid alltid kortare än tiden mellan EON och QOFF.

Man mäter därför den totala tid som V är pålagd över den aktuella faslindningens drivkrets. dvs. tiden mellan QON och QOFF. och blockerar sedan tillslag av denna fas till dess att återmatning har pågått samma tid. Detta innebär en överskattning av återmatningstiden men detta saknar praktisk betydelse. Praktiska prov har visat att denna typ av blockering icke heller har någon praktisk inverkan vid acceleration av motorn.

Den ovan beskrivna drivanordningen ger en säker kommutering vid normal drift. Vid mycket stora strömmar riskerar man dock att kommuteringen uteblir på grund av att grundvillkoret enligt ekvation (2) icke uppfylls. Detta händer då strömmen är så stor att induktansen aldrig når upp till Lk. Detta illustreras i fig. 2 av den undre kurvan 14. De tre induktanskurvorna ll, 12, 13 når upp till och överstiger nivån lk. Då sker kommutering. Kurvan lá når dock aldrig upp till nivån Lk. I detta fall uteblir kommutering. Problemet löses delvis genom att Lk väljs att ligga vid låg induktans och att detta 10 15 20 25 30 35 455 034 13 kombineras med de ovan nämnda fördröjningarna 65 och Gu, såsom visas i fig. 3 och 4. Detta ger en fullgod lösning om man har en hackningsfunktion för att pulsa driv- ningen av faslindningarna. såsom utföres med de övre transis- torerna Tbl, Tb2, Tb3 i fig. 1. Därigenom begränsas strömmen till ett tillräckligt lågt värde. Det finns dock fall när detta icke räcker, särskilt om toppströmmen är mycket högre än den maximala strömmen vid kommutering. En sådan kurvform visas i fig. 5, där strömmen i når ett toppvärde ip, vilket ligger långt över strömmen ik uppmätt vid Qk.

För att garantera att man alltid får kommutering även vid extrem överström utnyttjas en högre strömbegränsningsnivå.

Denna högre strömbegränsningsnivâ måste alltid finnas vid en motor för att skydda elektroniken och i enlighet med uppfin- ningen används den nu även för att ge en kommuteringssignal på det sätt, som kommer att beskrivas närmare nedan.

Såsom visas i fig. l detekteras strömmen i den pàslagna fas- lindningen löpande av styrenheten 1 via analog/digital-omvand- laren ll. Vid avkänning av den lägre strömbegränsningsnivån stängs den övre effekttransistorn Tbl, Tb2 eller Tb3 av. Därvid sjunker strömmen i normalt. Strömstigning efter fränslag av den ena effekttransistorn i lindningskretsen kan enbart inträffa om motorns induktans är minskande. Om strömmen skulle stiga efter frånslag av den övre effekttransistorn så innebär detta följ- aktligen att man har passerat läget med maximal induktans hos induktanskurvan utan att kommutering har skett och att man befinner sig i ett vinkelläge någonstans vid den negativa flanken av induktanskurvan. Motorn ger då en med-EM och strömmen ökar därvid. Om sålunda strömmen ökar efter avkänd maximal ström skall kommutering ske omedelbart.

I diagrammet i fig. 7 visas ett exempel på kurvformens i(6) utseende vid fall av kommutering när Lk ej avkännes. Vid rotationsläget Qc avkänns överström imax. Därvid stängs den övre effekttransistorn Tbl, Tb2 eller Tb3 av. Därvid sjunker strömmen i(6). Vid Sd påkopplas den övre effekt- 10 15 20 25 30 35 455 034 14 transistorn ånyo och strömmen stiger och når vid rotationsläget Ge återigen imax, varvid den övre effekttransistorn återigen stängs av. Såsom framgår av kurvan L(6.i) (hel- dragen) har nu emellertid induktanskurvan passerat sitt maximum. Strömmen i(6) sjunker nu icke längre utan stiger 1 stället relativt långsamt. Vid vridningsläget GOFF avkänns en ström in. som är högre än imax. Kommutering till nästa fas sker därvid omedelbart.

I stället för att göra avkänning av maximal ström via analog/ /digital-omvandlaren ll kan såsom är brukligt en extra kompâra- torkrets vara anordnad för att separat avkänna överström och direkt ge indikation till styranordningen l vid uppnådd över- ström. I kretsen i fig. 1 visas därför streckat en spännings- delarkrets innefattande tre seriekopplade motstånd Re, Rf, Rg mellan den positiva polen på spänningskällan V och jord. Ut- taget mellan motstånden Rf och Rg är kopplat till en referens- spänningsingång på en komparator 13 och uttaget mellan motstån- den Re och Rf är kopplat till en referensspänningsingång på en komparator 14. Utgången från multiplexenheten 5 är kopplad till (+)-ingången på båda komparatorerna 13 och 14. Spänningen över Rg är så vald, att komparatorn 13 ger en '1'-signal. så snart den fastställda maximalt tillåtna strömnivån imax har upp- nåtts. Referensspänningen till komparatorn 14 är något högre än för komparatorn 13. Komparatorn 14 ger därför en"l'-signal för en strömnivå något högre än den maximalt tillåtna imax. Kom- paratorernas 13 och 14 utgångar är kopplade till var sin ingång på styrenheten l, som styr på det sätt som angivits ovan. I fig. 1 visas också att styrenheten 1 är matad med en styrsignal utifrån på en parallellingång. Denna styrsignal indikerar för styranordningen vilket varvtal som önskas. Hed styrsignalen ges också indikation för styranordningen att starta och stanna motorn.

För att starta motorn krävs en speciell startfunktion. Det enklaste är härvid att styranordningen lägger på en strömpuls på en fas genom styrning av de båda effekttransistorerna i fasen under någon sekund, så att motorn låser 1 maxinduktans- 10 15 20 25 30 35 455 034 15 laget för den fasen. Därefter utförs en tvangskommutering till nästa fas, varefter följande kommuteringar sker på det ovan angivna sättet.

Den ovan beskrivna detekterings- och styrprincipen fungerar bra vid höga och medelhöga rotationshastigheter och ger där lika bra kommutering som en konventionell givare ger. Den kan teore- tiskt fungera ända ned till rotationshastigheten 0 varv/sek.

Det senare förutsätter emellertid att man utför en noggrann kompensering av lindningsresistansen. vilken får en ökande _ betydelse just vid låga varvtal. Lindningsresistansen är dock svår att bestämma exakt. eftersom den varierar bl.a. med motortemperaturen. Den noggranna kompenseringen vid låga varvtal blir därför mycket svår att utföra i praktiken.

Försök har visat att den ovan beskrivna detekterings- och styrprincipen fungerar bra ner till 5-10 X av motorns maximala varvtal och kan fungera för ännu lägre varvtal. t.o.m. ända ner till stillestånd. under förutsättning att belastningen pa motorn är liten.

För att emellertid få ett styrsystem, som skall fungera bra under alla förhållanden under hela varvtalsomràdet, övervakar man enligt uppfinningen motorns varvtal och detekterar, när- motorn håller ett i förväg bestämt varvtal vn. som är rela- tivt lagt, t.ex. 20 \ av motorns maximala varvtal.

Over detta varvtal vn arbetar kretsen i fig. l enligt den ovan beskrivna principen med att bestämma induktansen hos den faslindning, som är aktiverad för att finna ett induktansvärde Lk, som bildar utgångspunkt för en tidsbestämning för fràn- slag av fasen.

Under detta varvtal Vn är det i stället lämpligt att detek- tera induktansen hos den fas, som skall kopplas till för att detektera ett induktansvärde, vid vilket kommutering skall ske för inkoppling av fasen. 10 15 20 25 30 35 455 034 16 Eftersom normalt ingen ström går i en lindning. som ej är in- kopplad, màste lindningsinduktansen indikeras på annat sätt än det ovan beskrivna. Därför matas kortvariga pulser med hög frekvens till styrena på effekttransistorerna i drivkretsen för den lindning, som står i tur att kopplas in. Varje puls är av en bestämd varaktighet t, som är liten 1 förhållande till periodtiden, så att strömmen hinner gå ned till noll mellan varje puls. I slutet på varje puls mäts strömmen av analog/di- gital-omvandlaren. Strömstigningen under varaktigheten hos varje puls ger ett mått på den momentana induktansen. I detta varvtalsomràde styr således styrenheten l multiplexenheten š till att mata spänningen över det motstånd Rl, R2, R3, som ligger i den faskrets. som står i tur att bli tillkopplad och inte såsom under högvarvsomrâdet i den faskrets. som just då är tillkopplad.

Styrenheten 1 bestämmer induktansen genom att approximera ekva- tionen (U-Ri)=d/dr(Lvi) med U=Lvdi/dt, vilket är en god approximation för små strömmar ¿ och låga varvtal, dvs. lågt GL/dt.

Den inledningsvis angivna skriften US 4 520 302 beskriver ett system m som mäter tid för strömförändring 1 en icke drivande fas, vilket i praktiken innebär att man mäter induktansen i' denna fas. Enligt denna kända skrift utför man således kommu- teringen när induktansen i den fas. på vilken man gör mätning- en, har uppnått ett i förväg bestämt värde.

I detta kända styrsystem förutsättes att drivspänningen är konstant. I praktiken kan ofta drivspânningen V variera kraf- tigt, dels på grund av vanliga spânningsvariationer, dels på grund av det spänningsrippel, som erhålls. då +V är en lik- riktad växelspänning.

Induktansen i en icke drivande fas är också beroende på ström- styrkan i drivande fas. Den 1 USD4 520 302 beskrivna styr- kretsen tar heller ingen hänsyn till induktansvariationer pâ grund av strömnivân, vilket gör att det är svårt att driva den 5 10 15 20 25 30 35 455 034 17 där beskrivna motorn med olika belastningar. Som tidigare diskuterats är induktansen i en fas starkt beroende av strömmen i denna fas. De reluktansmotorer som används idag har oftast delar av järnkretsen gemensam för de olika faserna. Hättning, och därmed minskad induktans i en fas (se fig. 2), leder därför till partiell mättning och därmed minskad induktans även 1 _övriga faser.

Pig. 2 kan därför i princip även beskrivna induktansen i en fas som funktion av strömmen i i en annan fas, i all synnerhet när strömmen är låg i den fas man mäter på. De olika kurvorna i fig. 2 kan då sägas motsvara olika strömmar i den drivande fasen. om man mäter på en icke drivande fas.

I enlighet med en vidareutveckling av uppfinningen utföres därför inom lågvarvområdet, dvs. under varvtalet vn, en kompensering både för varierande drivspänning +V och för varierande ström i den drivande lindningen. En spänningsdelare med två seriekopplade motstånd Rx och R är kopplad mellan pluspolen vid +V på spänningskällan och jord. Spänningsdelarens kx, R uttag är kopplat till den fjärde ingången på multi- piexenheten 5. Den över Ry uppmätta spänningen U' är därvid proportionell mot +V.

För varje kortvarig puls till den övervakade lindningen styr nu styrenheten l multiplexenheten 5 att i vald följd överföra spänningen över mätmotståndet Rl. R2 eller R3 i övervakad fas, spänningen över mätmotstandet Rl. R2 eller R3 i drivande fas och spänningen U' över motståndet Ry till multiplexenhetens 5 utgång.

Styrenheten l indikerar sålunda den momentana strömmen vid slutet på varje kortvarig puls till den övervakade lindningen i icke drivande fas genom att vid slutet av pulsen mata en styrpuls till analog/digital-omvandlarens ll styringång. I samband med detta moment, dvs. omedelbart före eller efter. indikeras även strömmen i drivande fas och spänningen U' genom styrning av multiplexenheten 5 och analog/digita1~0mvand1aren 10 15 20 25 30 35 455 034 18 ll vid ägnade tidpunkter. Styrenheten 1 mottar då på sin till analog/digital-omvandlaren ll anslutna ingângssignaler med känd proportion till de signaler man önskar mäta.

För att få en rotorlägespunkt GOFF, som för ett valt rotor- varvtal blir så konstant som möjligt. är det fullt genomförbart att utföra kompensering med varierande kompensation på analogt sätt som med 65 inom högvarvsomràdet. Detta låter sig emel- lertid ej göras när motorn står stilla, dvs. vid själva starten.

Det är därför fördelaktigt att i stället bestämma den momentana induktansen. eller ett värde proportionellt mot denna, och kom- pensera det bestämda induktansvärdet.

Funktionen La (8,ib), dvs. induktansen i en fas a som' funktion av strömmen i en fas Q, är icke linjär med lb. En god approximation för de flesta typer av reluktansmotorer är oftast La (6c,O)/Lb(6c.ib) = (l+ceib) där konstanten c bestäms individuellt för varje motor så att QOFF hålls konstant. GC motsvarar nu Sk inom hög- varvsomrâdet. Inom lâgvarvsområdet kan företrädesvis GOFF vara lika med Bc. Detta naturligtvis under förutsättning - att man utför den ovan angivna kompenseringen av induktansen.

Det kommuteringsvillkor som skall uppfyllas då kompensering av induktansen har skett för både momentan drivspännings- och drivströmsnivå är då: L=Lc => (1+<:-1b)-U-T/1=Lc Härigenom blir det möjligt att få en rent statisk kommutering oberoende av strömstyrka 1 drivande fas och drivspänningen.

Statisk kommutering oberoende av rotorns rotation på detta sätt kan också åstadkommas så länge som varvtalet är lågt. Dels måste approximationen d/dt (L-i)=L-di/dr gälla (dvs. i dL/d1< avkännande pulserna vara mycket högre än motorns kommuterings- frekvens, eftersom denna frekvens bestämmer tidsupplösningen i kommuteringent 1/ 10 15 20 25 30 35 455 034 19 I praktiken innebär dessa begränsningar att man endast kan köra motorn upp till mellan 20 % och 50 % av dess maximala varvtal med denna kommuteringsmetod. Vid varvtal under denna gräns får man emellertid en funktion som helt motsvarar den som erhålles med en rotorpositionsgivare.

I anslutning till fig. 3 och 4 har tidigare rotorlägespunkten SOF? diskuterats. Det går naturligtvis att driva varje faslindning helt för sig och så att man eventuellt kör med överlapp mellan faserna, så att två faser drivs samtidigt under vissa intervall. Om man emellertid icke har överlapp mellan _ faserna utan kommuterar vid rotationsvinkeln QOFF från en fas till en annan, kommer GON att förskjuta sig inom rotorvinkelområdet på samma sätt som GOFF.

I fig. 3, där GOFF ligger relativt nära den övre delen av induktans-kurvan, ligger GON inom ett område på induktans- kurvan där induktansen är som lägst.

Vid högre varvtal och högre ström flyttar sig sedan 6oFF mer åt vänster, dvs. nedåt på den stigande delen av induktans- flyttar sig därmed även den mer åt vänster, såsom framgår av fig. 4 och kommer faktiskt vid normal drift att inträffa vid ett intervall på- induktanskurvan. där denna har negativ lutning. Detta visas också både i fig. 5 och i fig. 7. kurvan, såsom framgår av fig. 4. 60" Vid den ovan angivna drivningen för lågvarvsområdet kan det för riktigt låga varvtal vara lämpligt att slå till fasen alldeles i början av den stigande delen av L-kurvan, men för något högre varvtal inom lågvarvsområdet och speciellt när varvtalet närmar sig varvtalet vn kan det vara lämpligt att i stället flytta rotationsläget GON för tillslag mer till vänster så att tillslag sker redan på den negativa flanken av induktanskurvan alldeles före området med mycket låg induktans. Detta gör att motorn kommer att fungera bättre och jämnare speciellt när den passerar varvtalet vn, där drivkretsen byter drivstyrning från lågvarvsområde till högvarvsområde. Förskjutningen av 10 15 20 25 30 455 034 20 tillslagspunkten QON från att ske vid stigande flank på induktanskurvan till att ske vid fallande flank kan utföras kontinuerligt. Det är emellertid svårt att detektera induktans- skillnad under den nästan raka delen av induktanskurvan med mycket låg induktans, varför det i stället kan vara lämpligt att flytta GON kontinuerligt under de stigande och fallande partierna av induktanskurvan och utföra en stegvis förflyttning mellan dessa lägen. Tillslagspunkten kan också flyttas stegvis i ett antal steg. Att ha förskjutningsmöjligheten av punkten är av större betydelse ju färre faser man har. Förskjutningsmölig- heten har därför sin största betydelse för motorer med två eller tre faser.

Styrenheten l är därför lämpligen försedd med ett program för lâgvarvsområdet där induktansvärdet och tecknet för induktans- ändring för att ge QON är olika för olika varvtal eller varvtalsomrâden inom lâgvarvsomrâdet.

Gränsvarvtalet vn, där styrningen byter detekteringsmetod, kan väljas relativt fritt men bör helst ligga inom området 10-20 % av det maximala varvtalet. Givetvis sker omkopplingen mellan detekteringsmetoderna med en viss hysteres i varvtal.

Hed ett lämpligt valt gränsvarvtal vn. vilket ju kan bli ' olika beroende på den speciella motoruppbyggnaden, kan en kommutering erhållas över hela motorns varvtalsområde. vilken kommutering helt motsvarar den som erhålles med rotorpositions- givare. Följaktligen kan en reluktansmotor med styrningen enligt uppfinningen drivas i alla hastigheter från stillestånd upp till motorns maximala varvtal under optimala driftsbeting- elser.

Många modifieringar är möjliga inom ramen för uppfinningen.

Claims (14)

10 15 20 25 30 35 21 455 054 Patentkrav

1. Drivanordning för en reluktansmotor med en stator försedd med en eller flera lindningar för en eller flera faser och med en rotor, som vid sin rotation samverkar med magnetkretsen 1 varje statorfas och ger en permeans 1 magnetkretsen för varje statorlindning, som ändrar sig med rotorvinkeln, k ä n n e - t e c k n a d av en detekterings- och styrkrets (1-10), som detekterar induktansen 1 faslindningen (Ll, L2, L3) eller en storhet entydigt relaterad till induktansen 1 varje fas åt-_ minstone under en del av rotorvarvet när respektive fas är drivande fas, och som vid indikering av en 1 förväg bestämd induktans Lk låter det rotationsläge hos rotorn, där den bestämda induktansen Lk indikeras utgöra utgångspunkt för bestämning av ett rotationsläge för att ändra drivtillstand för faslindningen.

2. Drivanordning enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d av att detekterings- och styrkretsen (1-10) vid uppnått induktans- värde Lk stänger av drivningen av fasen efter en fördröjning. som är beroende av 1 förväg bestämda driftsparametrar hos motorn vid det aktuella tillfället.

3. Drivanordning enligt krav 2, k ä n n e t e_c k n a d av att en av driftsparametrarna är den aktuella strömstyrkan i faslindningen.

4. Drivanordning enligt krav 2, k ä n n e t e c k n a d av att en av driftsparametrarna är det aktuella varvtalet hos motorn.

5. Drivanordning enligt nagot av föregående krav, k ä n n e - t e c k n a d av att för varje fas, åtminstone under övervak- ning av denna, strömmen i faslindningen är anordnad att indi- keras över ett motstånd (R1, R2. R3) kopplat 1 serie med lind- ningen (L1, L2, L3), och att spänningen över lindningen och motståndet är anordnad att indikeras, samt att detekterings- och övervakningsanordningen (1-10) löpande bildar och utför jämförelse mellan följande värden 10 15. 20 25 30 35 455 034 22 t }çh-R.í)d1 och Lk.í tf 0 där U är den indikerade spänningen, ¿ den indikerade strömmen, R motståndets (Rl, R2,R3) resistans adderat med faslindningens resistans och Lk är en konstant, varvid tiden t-O är satt vid tillslaget av fasen, och att detekterings- och styranordningen indikerar det rotorläge, där jämförelsen är lika för att indi- kera att faslindningens induktans är Lk. _

6. Drivanordning enligt krav 5, k ä n n e t e c k n a d av att detekterings- och styranordningen (l-10) är anordnad att börja reagera pâ jämförelsen först efter det att rotorn har roterat över en i förväg bestämd rotorlägesvinkel, efter tillslag (vid Son) av den aktuella fasen, som är under övervakning.

7. Drivanordning enligt något av föregående krav. k ä n n e - t e c k n a d av att detekterings- och styranordningen (1-10) är anordnad att hindra tillslag av en frânslagen fas till efter en tidpunkt, när strömmen genom faslindningen är noll.

8. Drivanordning enligt krav 7, k ä n n e t e c k n a d av att detekterings- och styranordningen bestämmer tiden mellan tillslaget (vid GON) och frånslaget (vid QOFF) och styr fasen till nästa tillslag nästa gång först vid en tidpunkt, som ligger minst lika lång tid efter tidpunkten för fränslaget (vid °orr)'

9. Drivanordning enligt något av föregående krav. k ä n n e - t e c k n a d av att detekterings- och styrkretsen (1-10) på 1 och för sig känt sätt detekterar om strömmen genom lindningen i den fas, som är under drivning, när en i förväg bestämd högsta tillåten strömnivå, och reglerar drivningen av fasen genom pulsmatning av lindningen, och att detekterings- och styrkret- sen (1-10) är anordnad att utföra kommutering till drivning av nästa fas. om strömmen i den övervakade faslindningen under 10 15 20 25 30 35 455 0-34 23 pulspaus med en i förväg bestämd nivå överstiger den i förväg bestämda högsta strömnivân.

10. Drivanordning enligt något av föregående krav, t e c k n a d k ä n n e - av att detekterings- och styranordningen indike- rar motorns varvtal, och att detekterings- och styranordningen vid ett varvtal över ett i förväg bestämt varvtal Vn är an- ordnad att övervaka induktansen i den faslindning. som är under drivning för att indikera en induktans Lk, som kan utgöra utgångspunkt för beräkning av frànslag av fasen och vid ett_ varvtal under det i förväg bestämda varvtalet vn är anordnad att indikera induktansen i faslindningen i den fas, som står i tur att bli aktiverad för att erhålla tidpunkt för tillslag av fasen.

11. ll. Drivanordning enligt krav 10, k ä n n e t e c k n a d av att åtminstone vid varvtal under det i förväg bestämda varv- talet vn den punkt på induktanskurvan. vid vilken styranord- ningen styr fasen till tillslag är olika för låga och höga varvtal inom intervallet så att detekterings- och styranord- ningen (l-10) styr faserna till tillslag vid ett rotorläge, där induktanskurvan har en positiv flank, vid riktigt låga varvtal, och vid ett rotorläge, där induktanskurvan har en negativ flank, vid varvtal, vilka ligger relativt nära vn. _

12. Drivanordning enligt krav 10 eller ll, k ä n n e t e c k - n a d av att vid varvtal under det i förväg bestämda varvtalet (vn) detekterings- och styrkretsen (l-10) detekterar strömmen i faslindningen i den fas, som är under drivning, och korrige- rar den indikerade induktansen i faslindningen i den fas, som står i tur att bli aktiverad, med en faktor, som är beroende av strömmen i den drivande fasen.

13. Drivanordning enligt något av kraven 10 - 12. k ä n n e - t e c k n a d av att vid varvtal under det i förväg bestämda varvtalet (vn) detekterings- och styrkretsen (l-10) detekte- rar den momentana drivspänningsnivân och korrigerar den indike- rade induktansen i faslindningen i den fas, som star i tur att 10 15 455 034 24 bli aktiverad. med en faktor. som är beroende av den aktuella drivspänningsnivân.

14. Drivanordning enligt något av kraven 10 - 13, k ä n n e - t e c k n a d av att vid varvtal under det 1 förväg bestämda varvtalet (vn) detekterings- och styrkretsen (1-10) är an- ordnad att mata kortvariga spänningspulser över faslindningen 1 den fas, som står 1 tur att bli aktiverad, och för varje puls mäta strömnivân ia 1 denna fas11ndn1ng vid slutet av pulsens varaktighet, som är tiden t, och att mäta strömmen ib i _ faslindningen 1 drivande fas och mäta drivspänningen U' 1 samband med mätning av ia, att vid varje mättillfälle göra följande induktansberäkningz L=(l+c-ib) U'-t/ia där k är en konstant beroende på den aktuella motorn, och att jämföra den beräknade induktansen med ett induktansvärde LC, för vilket kommutering skall ske.