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Dokumentenidentifikation DE4314211C2 21.06.2000
Titel Verfahren zur Steuerung des Abschaltvorgangs in den Strängen eines Reluktanzmotors
Anmelder DaimlerChrysler AG, 70567 Stuttgart, DE
Erfinder Orthmann, Reinhard, Dr.-Ing., 55124 Mainz, DE
DE-Anmeldedatum 30.04.1993
DE-Aktenzeichen 4314211
Offenlegungstag 03.11.1994
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 21.06.2000
Veröffentlichungstag im Patentblatt 21.06.2000
IPC-Hauptklasse H02P 6/00
IPC-Nebenklasse H02P 7/05   

Beschreibung[de]

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Steuerung des Abschaltvorgangs in den Strängen eines Reluktanzmotors, wie es aus der Veröffentlichung von B. K. Bose, T. J. E. Miller, P. M. Szcesny und W. H. Bicknell "Microcomputer Control of Switched Reluctance Motor" in: IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. IA-22, No. 4, Juli/August 1986, Seite 708 bis 715 bekannt ist.

Der geschaltete Reluktanzmotor stellt in der speziellen Ausführung mit sechs Statorzähnen und vier Rotorzähnen die kostengünstigste Realisierungsmöglichkeit eines bürstenlosen Antriebes dar. Sein bisheriger Nachteil, eine hohe Blindleistungspulsation, konnte durch spezielle Auslegungen der magnetischen Kreise dieses Motors auf ein kleines Maß reduziert werden. In der Ansteuerelektronik dieses Motors wurden durch Verwendung von Leistungsschaltern neuartige Schaltungstopologien möglich.

Diese Gründe und seine außerordentliche Robustheit prädestinieren dieses Antriebsprinzip für einen Einsatz in Großserienprodukten, insbesondere in Kraftfahrzeugen.

Das physikalische Prinzip der Drehmomentgewinnung dieses Motortyps beruht auf dem Bestreben eines von einem magnetischen Fluß durchsetzten magnetischen Kreises, den in ihm wirksamen magnetischen Widerstand (engl. reluctance) zu minimieren. Befindet sich ein Rotor mit einem drehwinkelabhängigen magnetischen Widerstand in einem magnetischen Kreis, wird auf ihn eine Drehkraft ausgeübt, wenn seine Drehung zu einer Reduzierung des magnetischen Widerstandes führt.

Fig. 1 zeigt einen beispielhaften Verlauf der Stranginduktivitäten eines dreiphasigen, dreisträngigen Reluktanzmotors mit 4 Rotorzähnen und 6 Statorzähnen nach Fig. 2.

Die Spulen des Stators sind paarweise zu Strängen R, S, T zusammengeschaltet. Die Induktivitäten der drei Stränge sind in Fig. 1 mit LR, LS und LT gekennzeichnet. Jede der drei Kennlinien verläuft trapezförmig zwischen dem Minimal- und Maximalwert der Stranginduktivität. Der Maximalwert der Induktivität wird immer dann erreicht, wenn volle Überdeckung von Statorzahn und Rotorzahn des bestromten Stranges gegeben ist. Somit wird in Bild 1 beispielsweise im Strang R im Bereich 0° bis 27,3° bei positiver Drehrichtung positives Drehmoment erzeugt, im Bereich 27,3° bis 32,7° kein Drehmoment, und im Bereich 32,7° bis 60° negatives Drehmoment.

Ein bisher offener Punkt in der Ansteuerung dieses Motortyps ist die betriebspunktabhängige Bestimmung des optimalen Ausschaltwinkels der Motorstränge. Dieser Steuerwinkel bestimmt im entscheidenden Maße das abgegebene Drehmoment, die Ausnutzung, den Wirkungsgrad, die Blindleistungspulsation und den Blindleistungsumsatz des Motors.

Für das Betriebsverhalten des Reluktanzmotors ist dieser Steuerwinkel von entscheidender Bedeutung. Derzeit werden in der Literatur trotz der Fülle an Veröffentlichungen nur wenige Verfahren angegeben, gem. denen die Steuerwinkel eines Reluktanzmotors bestimmt werden können. Konkrete Aussagen beziehen sich bisher meist nur auf den Einschaltwinkel, der beispielsweise aus der DE 28 13 784 C2 bekannt ist.

Aus der Veröffentlichung von B. K. Bose, T. J. E. Miller, P. M. Szczesny und W. H. Bicknell 'Microcomputer Control of Switched Reluctance Motor' in: IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. IA-22, No. 4, Juli/August 1986, Seite 708 bis 715 ist ein Steuerverfahren zum Ein- und Ausschalten der Stränge eines Reluktanzmotors bekannt. Die Strangwicklung des Reluktanzmotors wird kurz vor dem Induktivitätsanstieg im Strang bestromt, so daß der Strom bei seinem Einsetzen seine maximale Größe (Sollstrom) erreicht hat. Diese maximale Größe wird dann von einem Regelsystem konstant gehalten. Der Strang wird in dem Augenblick abgeschaltet, in dem die Induktivität ihren Maximalwert erreicht hat. Der maximale Strom, der Einschaltwinkel und der Abschaltwinkel werden von einer Elektronik überwacht, die als Eingangsgröße den Rotordrehwinkel erhält. Gesteuert wird die Winkelbreite zwischen einem Einschaltwinkel und dem Abschaltwinkel, wobei der Einschaltwinkel veränderbar ist. Der Einschaltwinkel wird hier über die Kenntnis des Induktivitätsanstieges des bestromten Stranges bestimmt. Bei Kenntnis der in diesem Bereich gültigen Induktivität, dem Minimalwert der Induktivität, der Motordrehzahl und der an den Strang angelegten Spannung wird der Winkelwert berechnet, um den der Strang vor Beginn des Induktivitätsanstiegs einzuschalten ist. Der Abschaltwinkel selbst ist nur durch die Drehzahl des Motors vorgegeben, und es wird der Wert des Eckpunkts (corner point) von 36° dafür eingesetzt.

Der Nachteil des Verfahrens liegt darin, daß der Wirkungsgrad und die Leistungsausbeute nicht optimal und die Betriebssicherheit nicht gewährleistet ist, da kein physikalischer Zusammenhang zwischen Abschaltwinkel und Motor bzw. dem Motorbetriebszustand besteht. Dies führt auch zu einer großen Geräuschentwicklung beim Betrieb des Motors.

In der Veröffentlichung J. T. Bass, M. Ehsani, T. Miller "Simplified electronics for torque control of sensorless switched-reluctance motors", IEEE-IE, Vol. IE-34, No. 2, May 1987, pp. 234-239, wird der Ausschaltwinkel rein stromabhängig zwischen einem Minimal- und Maximalwert linear verstellt. Die Autoren weisen dabei auf einen schlechten Antriebswirkungsgrad zwischen 14% und 40% hin.

Aus J. W. Finch, H. M. B. Metwally "Control aspects of brushless drives using switched reluctance motors" Proc. IEE Conf. PEVD'90, London, pp. 237-242, ist eine zweidimensionale Winkeltabelle bekannt, aus der entsprechend der aktuellen Drehzahl und des Stroms der gesuchte Ausschaltwinkel ausgelesen werden kann. Über die Generierung dieser Tabelle fehlen jegliche Aussagen.

Aus der DE 38 13 130 A1 ist eine Kommutierungsschaltung für einen geschalteten Reluktanzmotor bekannt.

Es wird ein Mikrocomputer eingesetzt, um die in einem Speicher abgelegten Daten des Einschaltverlaufs der Statorphasen abzurufen und daraus den Einschaltwinkel und die Impulsweite der in Phasen geschalteten Stromimpulse den Betriebsverhalten des Motors in gewissen Grenzen anzupassen. Diese Anpassung der Impulslage und Impulsdauer ermöglicht es, einen großen Drehmoment und Geschwindigkeitsbereich zu erzielen. Bei höheren Geschwindigkeiten ist eine optimale Anpassung jedoch nicht mehr auf diese einfache Weise möglich. Daher vermindert sich das Drehmoment zu höheren Geschwindigkeiten hin sehr schnell und die Motorverluste nehmen zu.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Reluktanzmotor der eingangs beschriebenen Art den Ausschaltwinkel für alle Betriebszustände des Motors so einzustellen, daß eine maximale Leistung bzw. Drehmomentausbeute bei hohem Wirkungsgrad erzielt wird.

Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 aufgeführten Merkmale gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen aufgeführt.

Einzelheiten der Erfindung werden nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert.

Dabei zeigen:

Fig. 1 die Stranginduktivitäten als Funktion des Rotorwinkels γ;

Fig. 2 den Querschnitt eines hier behandelten Motors;

Fig. 3 Strom und Klemmenspannung im Chop-Bereich;

Fig. 4 Strom und Klemmenspannung im Blockspannungsbereich;

Fig. 5 die Abhängigkeit der normierten Drehmomentabgabe vom normierten Abschaltwinkel;

Fig. 6 das Blockschaltbild des Regelsystems;

Fig. 7 das Leistungsstellglied und

Fig. 8 das Ablaufdiagramm.

Besitzt der magnetische Kreis zur Erzeugung des magnetischen Flusses eine elektrische Wicklung, so bestimmt der im Kreis wirksame magnetische Widerstand die Induktivität dieser Wicklung.

Somit kann bei gegebener Bestromung aus dem drehwinkelabhängigen Verlauf der Wicklungsinduktivität eindeutig auf den Verlauf und die Höhe des erzeugten Drehmoments geschlossen werden: Vergrößert sich die Wicklungsinduktivität bei positiver Änderung des Rotordrehwinkels γ, wird ein positives Drehmoment erzeugt; verkleinert sich die Induktivität, entsteht ein negatives Drehmoment. Erfolgt keine Änderung, kommt es zu keiner Drehmomentenbildung (s. Fig. 1).

Ein Ausführungsbeispiel eines solchen Motors ist in Fig. 2 im Querschnitt dargestellt.

Die Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie des geschalteten Reluktanzmotors hat zwei unterschiedliche Betriebsbereiche: Der erste ist der sog. "Chop- Bereich" (s. Fig. 3). Die Strangstromregelung erfolgt mittels einer Pulsweitenmodulation der Motorklemmenspannung. Das Drehmoment wird über die Höhe des Stroms und Veränderung der Einschalt- und Ausschaltsteuerwinkel geregelt.

Der zweite Betriebsbereich ist der Blockspannungsbereich (s. Fig. 5). Sowohl Strom als auch Drehmoment können nur über die Veränderung des Einschalt- und Ausschaltsteuerwinkels geregelt werden.

Der Übergangspunkt vom Chop-Bereich in den Blockspannungsbereich ist dann erreicht, wenn unter Vernachlässigung aller ohmschen Verluste die Versorgungsgleichspannung uK der Motorleistungselektronik gerade so groß ist wie die "Pseudo-EMK" des Motors.

Der Strom iG an diesem Punkt ist (βs ist nach Fig. 2 definiert):





Sobald die Antriebsdrehzahlregelung einen Stromsollwert größer dem obengenannten vorgibt, arbeitet der Antrieb im Blockspannungsbereich. Werden alle ohmschen Verluste und alle magnetischen Kopplungen vernachlässigt, sowie die Maschine als sättigungsfrei angenommen, kann der Stromverlauf im Blockspannungsbetrieb, wie er beispielsweise schematisch in Fig. 4 dargestellt ist, analytisch nachgebildet werden. Hierbei wird angenommen, daß die Motorklemmenspannung während der Einschalt- und Abkommutierungszeitdauer des Stromes konstant ist und die hierbei wirksamen Spannungen zur Versorgungsgleichspannung ein bekanntes Verhältnis haben:

Einschaltzeitdauer: uturn_on = +1 . uK

Abkommutierung: uturn-off = -m . uK

Damit vereinfacht sich die Gleichung für die Motorklemmenspannung zu





Um die Stromkurvenform zu berechnen, muß diese Gleichung entsprechend dem Verlauf der Induktivität und dem Schaltzustand an der Motorklemme abschnittsweise gelöst werden. Hierbei wird vorausgesetzt, daß der Abschaltvorgang innerhalb der ansteigenden Induktivitätsflanke gestartet wird, d. h. αp ≤ 1, und innerhalb der abfallenden Indukvititätsflanke beendet ist, d. h. αg ≥ αR.

Für den weiteren Rechenvorgang werden alle Zustandsgrößen normiert: Normierter Strangstrom





Normierter Rotordrehwinkel





Definiert man den Strom bei α = 0 als I0 und integriert, so erhält man die analytische Gleichung zur Bestimmung des Stromes als Funktion des Abschaltwinkels αp





wobei b = Lmin/(Lmax-Lmin) ist.

Mit dieser Gleichung kann der Winkel αg bestimmt werden, bei dem der Abschaltvorgang abgeschlossen ist:





Die Dauer des Abschaltvorgangs kann hieraus bestimmt werden:





Es ist festzustellen, daß der Winkel αp, an dem die Abkommutierung abgeschlossen ist, unabhängig von der Größe des Winkelbereiches konstant maximaler Induktivität ist. Zudem kann allein aus der Kenntnis des Stromes I0 zu Beginn des Induktivitätsanstiegs und dem normierten Abschaltwinkel αp direkt über das Induktivitätsverhältnis b auf den Winkel αg des Kommutierungsabschlusses geschlossen werden.

Das übergeordnete Ziel der Steuerung des Reluktanzmotors ist es, bei vorgegebenem Motorstrom I0 das Maximum an Drehmomentausbeute zu erzielen.

Theoretisch wird für eine gegebene Stromamplitude die maximale Drehmomentabgabe dann erreicht, wenn das Einschalten des Stromes schlagartig bei Beginn der ansteigenden Induktivitätsflanke erfolgt und das Ausschalten des Stromes schlagartig am Ende des Induktivitätsanstieges erfolgt.

Aufgrund der begrenzten Spannungsreserve innerhalb der Leistungselektronik sind die Zeiten für beide Vorgänge nicht vernachlässigbar. Bei hohen Drehzahlen werden für jeden Vorgang Winkelbereiche in der Größenordnung von 15° durchaus überschritten.

Werden diese Zeiten für die Kommutierungsvorgänge in der Ansteuerung des Motors nicht berücksichtigt, führt dies zu einer starken Reduzierung des Abgabemomentes des Motors, da neben antreibendem Drehmoment auch eine starke Bremsmomentkomponente erzeugt wird oder der gewünschte Strom bei Beginn des Induktivitätsanstiegs noch nicht erreicht ist. Zusätzlich wird die Welligkeit des Drehmoments und demzufolge die Geräuschemission des Motors beeinflußt. Diese Vorgänge wirken sich um so stärker aus, je höher die Drehzahl des Rotors ist, bzw. je länger die Auf- und Abkommutierungsvorgänge bezogen auf die elektrische Periode des Motors andauern.

Fig. 5 zeigt den Einfluß des Abschaltsteuerwinkels auf die Drehmomentabgabe. Dargestellt ist die Drehmomentabgabe, normiert auf die vorgegebenem Strom maximal Drehmomentabgabe, als Funktion des normierten Abschaltsteuerwinkels αp bei unterschiedlichen normierten Strömen i0. Dieser wurde variiert zwischen I0 = 1 und I0 = 9. Als Systemparameter für die Simulation wurde der normierte Symmetriewinkel αc (s. Fig. 4) zu





gewählt und das Induktivitätsverhältnis b zu 0,187 gewählt. Sättigung wurde vernachlässigt. In Fig. 5 ist beispielhaft zu erkennen, daß der optimale Wert von αp mit wachsender Stromamplitude I0 von αp = 0,8 und I0 = 1 auf αp = 0,35 bei I0 = 9 absinkt. Ungünstig gewählte Abschaltwinkel führen zu einer bemerkenswerten Einbuße am Drehmoment. Wird beispielsweise der Abschaltwinkel konstant auf 0,8 gehalten und der Strom von I0 = 1 auf I0 = 6 erhöht, führt die Drehmomenteinbuße aufgrund der Beibehaltung des Abschaltwinkels zu einer Drehmomentreduktion von mehr als 25%.

Falls ein normierter Abschaltwinkel αp = 1 gewählt werden kann und der Abschaltvorgang vor dem Beginn der abfallenden Induktivitätsflanke beendet ist, kann das maximale Drehmoment erzielt werden. Der minimale Stromwert, für den diese Randbedingung erfüllt ist, ist





Mit den bekannten Parametern von b = 0,185 m = 1 und αc = 1,0935, ist I0,min = 0,158.

Somit gilt, daß bei normierten Strömen größer als 16% der optimale Abschaltwinkel unterschiedlich zu αp gewählt werden muß.

Es stellt sich daher die Frage, wann die Abkommutierung einzuleiten bzw. wie der Abkommutierungsvorgang auf den motorischen und generatorischen Drehmomentbereich zu verteilen ist, damit sich infolge ein Maximum an Drehmomentausbeute ergibt.

Zur besseren Darstellung der Aufteilung des Abkommutierungsvorganges auf den motorischen bzw. generatorischen Drehmomentbereich wird für die weiteren Untersuchungen folgender Quotient, mit aKom bezeichnet, eingeführt:





Beispielsweise teilt sich für einen Wert von aKom = 0,5 der Abkommutierungsvorgang im Verhältnis 1 : 1 auf den motorischen und generatorischen Bereich auf.

Setzt man zur Bestimmung des optimalen Abschaltwinkels einen konstanten Wert des Abschaltverhältnisses von 2/3 an, so kann der Abschaltwinkel nach folgender einfacher Gleichung bestimmt werden:





für I0 ≥ 1 u. aKom,opt = 2/3.

Man erhält bei gegebenen Antriebsparametern eine einfache lineare Beziehung zwischen dem Abschaltwinkel und dem Strom.

Ist b = 0,185, m = 1 and αc = 1.0935, so ist αp,opt = 0,820 - 0,0462 . I0

Alles, was für diesen Algorithmus bekannt sein muß, ist der aktuelle Wert des bezogenen Stromes I0, dem Strom am Beginn der ansteigenden Induktivitätsflanke. Zusätzliche Strommessungen sind nicht erforderlich. Wird der Strompfad vorzeitig zum Beginn der ansteigenden Induktivitätsflanke eingeschaltet und der Strom dabei mittels eines Zwei- Punkt-Stromreglers begrenzt, ist der Strom am Beginn der ansteigenden Induktivitätsflanke auf seinem vorgegebenem Wert. Verfahren zur Bestimmung geeigneter Vorsteuerwinkel sind bekannt.

Deshalb ist es zur Bestimmung des Abschaltwinkels hinreichend, den Sollwert des Strangstromes zu kennen. Dieser Wert wird normiert mit dem aktuellen Wert der Rotordrehzahl, die innerhalb der Drehzahlregelschleife bekannt ist und mit dem aktuellen Wert der Versorgungsgleichspannung verglichen.

Der Algorithmus für den Chop-Bereich ist ähnlich dem vorgestellten Algorithmus für den Blockspannungsbereich. Unterschiede sind in der Modellierung des Taktens begründet.

In diesem Betriebsbereich legt der Stromregler eine mittlere Spannung an die Motorklemmen an, so daß das mittlere di/dt Null wird und in Folge der Strom eingeprägt ist. Hieraus ergibt sich unter Vernachlässigung aller ohmschen Verluste, daß die mittlere Spannung folgenden Wert hat:





Der Vergleich dieser Spannung m in der Versorgungsgleichspannung führt auf ein Verhältnis n





Wird uK ersetzt durch





erhält man





Da in den betr. Gleichungen das mittlere di/dt Null ist,





ist diese Ableitung zulässig. Folglich ist das Verhältnis n einfach der Kehrwert des normierten Stromes I:



n = 1/I



Da der Strom eingeprägt ist, ist der Strom beim Start des Abschaltvorgangs gleich dem Strom zu Beginn der ansteigenden Induktivitätsflanke



Ip(Chop) = I0 = Iphase



Ip(Chop) = 1/n

Somit erhalten wir den Löschwinkel αg



Wird hier das Abschaltverhältnis aKom wie im Blockspannungsbereich eingeführt, erhält man für den gesuchten Abschaltsteuerwinkel





Wird das Abschaltverhältnis wieder aus 2/3 festgelegt und wird n = 1/I0 gesetzt, folgt für I0 ≥ I0min



Vergleicht man diese Gleichung mit der entsprechenden für den Blockspannungsbereich, wird der diskontinuitätsfreie Übergang bei I0 = 1 vom Chop-Bereich in den Blockspannungsbereich offensichtlich.

Für Ströme kleiner als I0min beträgt der optimale Abschaltwinkel αp = 1.

Nach dem hiermit die Betrachtung der für die Motorsteuerung wesentlichen Parameter abgeschlossen ist, wird anhand eines Blockschaltbildes (Fig. 6) und eines Ablaufdiagramms dargestellt, wie die gewonnenen Erkenntnisse in der Praxis benutzt werden, um einen Reluktanzmotor erfindungsgemäß mit möglichst großem Drehmoment zu betreiben.

Als Ausführungsbeispiel für die Ansteuerung des Reluktanzmotors folgt zunächst die Beschreibung des Blockschaltbildes von Fig. 6. Das Blockschaltbild beinhaltet zwei Systeme. Das eine ist das Drehzahlregelsystem, welches die aktuellen Betriebsgrößen bestimmt. Diese sind: Sollstrom isoll, die Richtungssignale rechts-links und der Istwert der Drehzahl nist. Das zweite System enthält die Funktionsnetzwerke der Steuersignale. Der Sollwert des Stromes wird aus der Differenz des Ist- und Sollwertes der Drehzahl nist - nsoll bestimmt. Diese Größe wird einer Regeleinheit zugeführt (Block B1). Deren Ausgangsgröße wird im Block B2 gleichgerichtet. Am Ausgang von B2 erhalten wir den Sollwert des Stromes isoll. Aus dem Vorzeichen des Istwerts der Drehzahl erhalten wir das Signal der Drehrichtung. Aus den Hallsignalen wird in B4 der Drehzahlistwert gewonnen. Für den Rechenalgorithmus sind damit alle Betriebsgrößen bekannt. Der Algorithmus läuft wie folgt ab: Aus dem Istwert der Drehzahl und aus dem Istwert der Zwischenkreisspannung uK (über ein Widerstandsnetzwerk gemessen), aus den Motorparametern Lmin und Lmax, welche in einem Speicher abgelegt sind, und dem Wert des Statorpolwinkels βS, der ebenfalls fest abgelegt ist, wird der Grenzstrom iG bestimmt. Dies geschieht in einem nichtlinearen Funktionsnetzwerk B3. Dieser Wert wird einem Dividierer B5 zugeführt, der aus dem Sollwert des Stromes isoll und dem Strom iG den normierten Strom I0 = isoll/iG durch Division dieser beiden Größen bestimmt. Dieser normierte Strom I0 wird einem nichtlinearen Funktionsnetzwerk B7 zugeführt, welches mit den fest abgelegten Werten für den Statorpolwinkel βS den Rotorpolwinkel βR, der Größe b und dem Winkel αc, welche alle in einem Speicher festabgelegt sind, die Abschaltzeit toff errechnet. Diese Zeit wird im nachfolgenden Funktionsnetzwerk B8 noch mit der Drehrichtungsinformation R/L aus B6 bewertet und einem nichtlinearen Zeitglied zugeführt. Dieses Zeitglied B9 ist beispielsweise ein Timer-Baustein. Dieses Glied wird durch die Hallsignale der drei Motorstränge R, S, T initialisiert.

Nach Ablauf der absoluten Abschaltzeit, welche im Funktionsnetzwerk B9 ermittelt wurde, wird der Abschaltvorgang des stromführenden Stranges eingeleitet. Im nächsten Funktionsnetz B12 wird dieses Signal noch mit den pulsbreitenmodulierten Signalen des Stromreglers verknüpft. Das ist notwendig, wenn im Chop-Bereich Pulssignale für die sechs Leistungsschalter (s. Fig. 7) gebildet werden sollen. Diese pulsbreitenmodulierten Signale werden aus der Differenz zwischen dem Sollstrom und dem Iststrom gebildet, einem Zweipunktregler B10 zugeführt und anschließend über ein weiteres Glied B11 geleitet, welches für eine Mindesteinschaltzeit ton min sorgt.

Das Pulsdiagramm (Fig. 8) zeigt die Erzeugung der Ansteuersignale für den Wechselrichter. Das Signal OR steuert den oberen Leistungsschalter im Zweig mit dem Strang R an und das Signal UR den unteren Leistungsschalter. Das Signal HR löst das Einschalten des Stranges R aus, indem es das Ansteuersignal von UR auf logisch 1 setzt. Es bleibt so lange auf logisch 1, bis der Abschaltzeitpunkt erreicht ist. Das zugehörige Signal wird dadurch ausgelöst, daß das nachfolgende Signal HS der Hallsonde für dem Strang S dem Timer-Baustein ein Startsignal gibt. Der Timer läuft so lange, bis die Zeit toff erreicht ist. Nach Ablauf dieser Zeit löst das Zurückgehen des Ausgangssignals das Rücksetzen des Ansteuersignals UR aus. Das Ansteuer- oder Einschaltsignal des oberen Leistungsschalters OR wird einmal dadurch ermittelt, daß die Pulsbreitmodulationssignale PWM mit dem Signal des unteren Leistungsschalters in B12 mit einer logischen Und- Schaltung verknüpft werden. Auf diese Weise stellt das zeitliche Signal UR einen langen Impuls dar und das sich daran anschließende Signal vom oberen Leistungsschalter OR ein pulsbreitenmoduliertes Signal.


Anspruch[de]
  1. 1. Verfahren zur Steuerung eines Reluktanzmotors, dessen Stator mit Wicklungen versehen ist, in die in Abhängigkeit von Winkelstellung und Drehzahl des Rotors nach einem vorgegebenen Algorithmus berechnete Stromimpulse eingeprägt werden, wobei der bestromte Strang bei einem Einschaltwinkel eingeschaltet und bei einem Abschaltwinkel abgeschaltet wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein festes Abschaltverhältnis (akom,opt) eingehalten wird, wobei die Beziehung gilt



    akom,opt = (αg - αc)/(αg - αp),



    mit αg als Winkel, bei dem die Abkommutierung abgeschlossen ist, αc als normierter Symmetriewinkel und αp als Winkel des Kommutierungsabschlusses, wobei für das Abschaltverhältnis (akom,opt) der feste Wert 2/3 gilt, für diesen Wert ein optimaler Abschaltwinkel (αp,opt) mit der Beziehung



    αp,opt = (3m . αc - b . I0)/(3m + 1) für I0 > 1 oder



    αp,opt = (3m . αc - b . I0)/(3m + I0) für I0 kleiner oder gleich 1



    bestimmt wird, indem der Strom I0 ermittelt wird, wobei m und b Konstanten sind, I0 der normierte Stromwert am Beginn der ansteigenden Induktivitätsflanke des Stranges ist und der Strang des Reluktanzmotors bei diesem optimalen Abschaltwinkel (αp,opt) abgeschaltet wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sollwert des Stromes aus der Differenz des Ist- und Sollwertes der Drehzahl (nist - nsoll) bestimmt und einer Regeleinheit zugeführt wird, deren Ausgangsgröße gleichgerichtet dem Stromsollwert (isoll) entspricht und das Vorzeichen des Istwerts der Drehzahl als Signal der Drehrichtung bestimmt und aus Hallsignalen der Drehzahlistwert gewonnen wird, wobei aus dem Istwert der Drehzahl und aus dem Istwert der Zwischenkreisspannung (uK), aus den Motorparametern Lmin und Lmax, welche in einem Speicher abgelegt sind, und dem festgelegten Wert des Statorpolwinkels (βS) der Grenzstrom (iG) bestimmt wird, dessen Wert einem Dividierer zugeführt wird, der den Quotienten I0 = isoll/iG bildet, der einem nichtlinearen Funktionsnetzwerk zugeführt wird, in welchem die Parameter für den Statorpolwinkel (βS), der Größe b und dem Winkel αc in einem Speicher fest abgelegt sind, dort die Abschaltzeit (toff) errechnet wird, welche mit der Drehrichtungsinformation bewertet und einem nichtlinearen Zeitglied, das durch die Hallsignale der Motorstränge initialisiert wird, zugeführt wird, dessen Ausgangssignal die absolute Abschaltzeit ergibt, nach deren Ablauf der Abschaltvorgang des stromführenden Stranges eingeleitet wird.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das mit Drehrichtungsinformation bewertete und dem nichtlinearen Zeitglied zugeführte Zeitsignal zuerst mit pulsbreitenmodulierten Signalen eines Stromreglers, welche aus der Differenz zwischen Stromsollwert (isoll) und Stromistwert gebildet werden, verknüpft, sodann einem Zweipunktregler zugeführt und anschließend zur Berechnung einer Mindesteinschaltzeit herangezogen wird.
  4. 4. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein erstes System mit Drehzahlregelsystem zur Bestimmung der aktuellen Betriebsgrößen Sollstrom (isoll), Richtungsgrößen und Istwert der Drehzahl (nist) des Reluktanzmotors sowie ein zweites System mit Funktionsnetzwerken der Steuersignale vorgesehen sind, wobei das erste System eine Regeleinheit (B1), eine Gleichrichteinheit (B2), eine erste Bestimmungseinheit für den Drehzahlistwert (B4) sowie eine zweite Bestimmungseinheit für die Drehrichtungsinformation (B6) aufweist, und das zweite System ein erstes nichtlineares Funktionsnetzwerk (B3), einen Dividierer (B5), ein zweites nichtlineares Funktionsnetzwerk (B7), ein drittes nichtlineares Funktionsnetzwerk (B8), ein Zeitglied (B9), ein viertes nichtlineares Funktionsnetzwerk (B12), einen Zweipunktregler (B10) sowie ein Rechenglied (B11) aufweist, wobei die Regeleinheit (B1) mit dem Eingang der Gleichrichtereinheit (B2), der Eingang der Regeleinheit (B1) mit dem Ausgang der ersten Bestimmungseinheit (B4), der Ausgang der ersten Bestimmungseinheit (B4) zusätzlich mit dem Eingang der zweiten Bestimmungseinheit (B6) und dem Eingang des ersten nichtlinearen Funktionsnetzwerks (B3), der Ausgang der zweiten Bestimmungseinheit (B6) mit dem Eingang des dritten nichtlinearen Funktionsnetzwerks (B8), der Ausgang der Gleichrichtereinheit (B2) mit dem Eingang des Dividierers (B5) und des Zweipunktreglers (B10), der Eingang des Dividierers (B5) mit dem Ausgang des ersten nichtlinearen Funktionsnetzwerks (B3), der Ausgang des Dividierers (B5) mit dem Eingang des zweiten nichtlinearen Funktionsnetzwerks (B7), der Ausgang des zweiten nichtlinearen Funktionsnetzwerks (B7) mit dem Eingang des dritten nichtlinearen Funktionsnetzwerks (B8), der Ausgang des dritten nichtlinearen Funktionsnetzwerks (B8) mit dem Eingang des Zeitglieds (B9), der Ausgang des Zeitglieds (B9) mit den Eingang des vierten nichtlinearen Funktionsnetzwerks (B12), der Ausgang des Zweipunktreglers (B10) mit dem Eingang des Rechenglieds (B11), der Ausgang des Rechenglieds (B11) mit dem Eingang des vierten nichtlinearen Funktionsnetzwerks (B12), der Ausgang des vierten nichtlinearen Funktionsnetzwerks (B12) mit einem Leistungsschalter verbunden ist und die Eingänge der ersten Bestimmungseinheit (B4), des Zeitglieds (B9) und des vierten nichtlinearen Funktionsnetzwerks (B12) mit einem Hallsignal, der Eingang der Regeleinheit (B1) mit der Solldrehzahl, das erste nichtlineare Funktionsnetzwerk mit Motorparametern (Lmin, Lmax, uK, βS) und der Zweipunktregler (B10) mit dem Stromistwert gespeist sind.






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