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Dokumentenidentifikation DE69808088T2 23.01.2003
EP-Veröffentlichungsnummer 0991179
Titel VERFAHREN ZUM ABLEITEN DER POL-POSITION VON PERMANENTMAGNETISCHEN BÜRSTENLOSEN MOTOREN
Anmelder Kabushiki Kaisha Yaskawa Denki, Kitakyushu, Fukuoka, JP
Erfinder OGURO, Ryuichi, Kitakyushu-shi, Fukuoka 806-0004, JP;
KAMEI, Takeshi, Kitakyushu-shi, Fukuoka 806-0004, JP
Vertreter Grünecker, Kinkeldey, Stockmair & Schwanhäusser, 80538 München
DE-Aktenzeichen 69808088
Vertragsstaaten DE, GB
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 16.06.1998
EP-Aktenzeichen 989246442
WO-Anmeldetag 16.06.1998
PCT-Aktenzeichen PCT/JP98/02649
WO-Veröffentlichungsnummer 0098058444
WO-Veröffentlichungsdatum 23.12.1998
EP-Offenlegungsdatum 05.04.2000
EP date of grant 18.09.2002
Veröffentlichungstag im Patentblatt 23.01.2003
IPC-Hauptklasse H02P 6/20
IPC-Nebenklasse H02P 6/18   

Beschreibung[de]
TECHNISCHES GEBIET

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Feststellen der anfänglichen Magnetpolposition eines bürstenlosen Motors des Permanentmagnettyps und insbesondere ein Verfahren zum Feststellen der Magnetpolposition eines Läufers, wenn ein bürstenloser Motor ohne Sensoren gestartet wird.

STAND DER TECHNIK

Bei herkömmlichen bürstenlosen Motoren wird ein Verfahren zum Feststellen der Magnetpolposition verwendet, ohne dass ein Magnetpolposition-Feststellungssensor mit etwa einem Drehmelder oder einem Hall-Effekt-Element erforderlich ist.

Wenn die Drehung eines Läufers zum Startzeitpunkt in Bezug auf ein Verfahren der oben genannten Art zum Feststellen der Magnetpolposition gestattet wird, kann eine wie in der japanischen Patentveröffentlichung Nr. 3-239186A angegebene Technik verwendet werden, um die Läuferposition (die Magnetpolposition) zu bestimmen, indem zwischen einem synchronen Betriebsmodus, in dem ein stetiger Betrieb durchgeführt wird, und einem Läuferposition-Feststellungsmodus, in dem die Magnetpolposition festgestellt wird, gewechselt wird, wobei der Läufer gedreht wird, indem ein derartiger Gatterimpuls zugeführt wird, dass ein sich drehendes Magnetfeld in jeder Drei-Phasen-Ankerspule zum Zeitpunkt des Startens eines bürstenlosen Motors erzeugt wird, wobei dann veranlasst wird, dass eine Positionsfeststellungsschaltung die in der Ankerspule induzierte Spannung feststellt.

Wenn die Drehung des Läufers zum Zeitpunkt des Startens nicht gestattet wird, d. h. wenn die Magnetpolposition bei nicht betriebenem Motor geschätzt wird, steht eine wie in IEEJ IAS Vol. 116-D, No. 7, auf den Seiten 736-742 (1996) vorgeschlagene Technik zum Bestimmen der Magnetpolposition bei nicht betriebenem Motor zur Verfügung, indem intermittierende impulsartige Spannungsbefehle sequentiell in einer bestimmten Richtung ausgegeben werden, soweit der Motor nicht gedreht wird, und indem der Positionswinkel aus der antisinusförmig und wellenartig variierenden Antwortdifferenz von jedem der zu statischen Koordinaten gewandelten Phasenströme iαu und iβu, iαv und iβv, iαw und iβw usw. geschätzt wird.

Im Stand der Technik sind jedoch weiterhin die folgenden Probleme gegeben. Die in der japanischen Patentveröffentlichung Nr. 3-239186 angegebene Technik kann nicht auf einen Motor angewendet werden, der es zur Bedingung macht, dass sein Läufer vor dem Betrieb des Motors stillsteht, weil der Motor durch das Drehen des Läufers gestartet werden muss, um die Läuferposition zu bestimmen.

Im Fall der in IEEJ IAS Vol. 116-D, No. 7 angegebenen Technik sind elektrische Parameter wie die Induktivität des bürstenlosen Motors, die Widerstandswerte oder ähnliches erforderlich, um die Differenz der Stromantwort zu erhalten, indem jeder der Phasenströme iαu, iαv, iαw usw. aus einer Dreiphasen-Spannungsgleichung abgeleitet wird. Folglich ist der Grad der Differenz der Stromantwort undeutlich, wenn diese Parameter unbekannt bleiben. Weil weiterhin der Strombefehl kein schrittweite alternierender Befehl ist, kann in Abhängigkeit von der Form des Strombefehls ein Überstrom fließen oder kann der Läufer gedreht werden, so dass Probleme in der praktischen Anwendung entstehen.

"Sensorless operation of brushless DC motor drives" in IEEE IECON 1993, auf den Seiten 739-744 gibt die sensorlose Kontrolle der Geschwindigkeit und Position von bürstenlosen Gleichstrommotoren des Permanentmagnettyps an, wobei eine Technik vorgeschlagen wird, um die Magnetpolposition zu bestimmen, während der Motor nicht in Betrieb ist, indem intermittierende impulsartige Spannungsbefehle sequentiell in einer bestimmten Richtung ausgegeben werden, soweit der Motor nicht gedreht wird, und indem ein Positionswinkel aus einer auf anti-sinusförmiger wellenartige Weise variierende Antwortdifferenz aus jedem der zu statischen Koordinaten gewandelten Phasenströme geschätzt wird.

Es ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Schätzen der anfänglichen Magnetpolposition eines bürstenlosen Motors des Permanentmagnettyps anzugeben, wobei anfängliche die Magnetpolposition eines Läufers in dem bürstenlosen Motor auch dann schnell geschätzt werden können, wenn die elektrischen Parameter nicht genau erfasst werden, wobei kein ein Überstrom gestattet wird und der Läufer nicht gedreht wird, d. h. der Motor nicht betrieben wird.

BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Um die oben genannte Aufgabe zu lösen, wird ein Verfahren zum Schätzen der Magnetpolposition eines bürstenlosen Motors des Permanentmagnettyps angegeben, das folgende Schritte umfasst:

Einstellen einer bestimmten γ-Achse und einer bestimmten δ-Achse, die mit einem elektrischen Winkel von 90º gegenüber der γ-Achse vorgerückt ist,

Bilden eines elektrischen Stromregelkreises in der Richtung der γ-Achse und Bilden eines elektrischen Stromsteuerkreises in der Richtung der δ-Achse,

Berechnen eines in der Richtung der δ-Achse erzeugten Interferenzstroms, wenn ein Strombefehl in der Richtung der γ-Achse als schrittweise alternierender Strombefehl ausgegeben wird,

Feines Vorrücken der γ-Achse um einen Winkel von Δθ, wenn das Vorzeichen des Produkts aus einem Integralwert des Interferenzstroms und einem Wert des Strombefehls in der Richtung der γ-Achse positiv ist,

Feines Verzögern der γ-Achse um einen Winkel von Δθ, wenn das Vorzeichen negativ ist, und

dadurch Ausrichten der γ-Achse mit entweder einer d-Achse als wahrer magnetischer Achse oder mit einer um 180º gegenüber der wahren magnetischen Achse vorgerückten -d-Achse.

In dem Verfahren wird eine charakteristische Gleichung in Bezug auf die Antwort des Interferenzstroms iδ in der Richtung der δ-Achse unter einer Bedingung, in der die Geschwindigkeit des Motors des Permanenttyps gleich null ist, durch die folgende Gleichung (1) ausgedrückt:

wobei

iγ: Strom in der Richtung der γ-Achse

iδ: Strom in der Richtung der δ-Achse

vγ: Spannung in der Richtung der γ-Achse

vδ: Spannung in der Richtung der δ-Achse

Lq: Induktivität der q-Achse

Ld: Induktivität der d-Achse

Rs: Widerstand des Ständers, und

θe: elektrischer Winkelfehler zwischen der γ-Achse und der d-Achse.

In diesem Fall wird mit der Bildung eines Stromsteuerkreises in der Richtung der q-Achse und der Bildung eines proportional geregelten Stromregelkreises der Strombefehlswert der γ- Achse zu iγRef vδ = 0, vγ = Kγ(iγRef - iγ), wobei der Zustand, bei dem die Geschwindigkeit des Motors des Permanentmagnettyps gleich null ist, durch die folgende Gleichung (2) ausgedrückt wird:

Weiterhin wird die der Laplace-Transformation unterworfene Antwort von iδ durch die folgende Gleichung (3) ausgedrückt:

Dabei gibt iδ(S) einen Laplace-Ausdruck von iδ wieder und gibt IγRef(S) den Laplace-Ausdruck von iγ wieder. Weiterhin werden aγγ, aδδ, und aγδ durch die folgende Gleichung (4) angegeben:

Weiterhin wird die Integration iδdt des Interferenzstroms iδ in der Richtung der δ-Achse, wenn der Strombefehl in der Richtung der γ-Achse als ein schrittweite alternierender Strombefehl ausgegeben wird, durch die folgende Gleichung (5) ausgedrückt, unter der Bedingung, dass aγγ = 1/Ld, aδδ = 1/Lq und Kγ ausreichend groß ist:

Das Produkt fγ aus dem Integralwert des Interferenzwertes und dem Strombefehlswert der γ- Achse wird durch die folgende Gleichung (6) ausgedrückt:

fγ = sign(iγRef)· iδdt (6)

In Anbetracht der Tatsache der vorstehenden Ergebnisse, bilden fγ und der elektrische Achsenwinkelfehler θe zwischen der γ-Achse und der d-Achse eine fγ-θe Kennlinie, die im wesentlichen sinusförmig variiert, indem fγ auf der x-Achse und θe auf der y-Achse genommen werden. Wenn in dieser Beziehung die γ-Achse derart eingestellt wird, dass sie nur um Δθe vorgerückt wird, wenn fγ ≥ 0, und nur um Δθe verzögert wird, wenn fγ < 0, wird die designierte y-Achse fein und graduell mit der d-Achse (entspricht θe = 0) oder der -d-Achse (entspricht θe = 180) ausgerichtet, um sicherzustellen, dass die Magnetpolposition geschätzt werden kann.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist ein schematisches Blockdiagramm eines Verfahrens zum Schätzen der anfänglichen Magnetpolposition eines bürstenlosen Motors des Permanentmagnettyps in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Fig. 2 ist ein Flussdiagramm, welches das Verfahren zum Feststellen der anfänglichen Magnetpolposition des bürstenlosen Motors von Fig. 1 zeigt.

Fig. 3 ist ein Wellenformdiagramm des Strombefehls der γ-Achse von Fig. 1.

Fig. 4 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen den in Fig. 1 gezeigten γ- und d-Achsen zeigt.

Fig. 5 ist eine Kennlinie θe-fγ gemäß Fig. 2.

Fig. 6 ist ein Diagramm, das die korrigierte Wellenform einer geschätzten Magnetachse θγ gemäß Fig. 2 zeigt, und

Fig. 7 ist ein Diagramm, das eine andere Phasen-korrigierte Wellenform der geschätzten Magnetachse θγ von Fig. 6 zeigt.

Bevorzugte Ausführungsform der Erfindung

Im Folgenden wird eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben.

Fig. 1 ist ein schematisches Blockdiagramm eines Verfahrens zum Schätzen der anfänglichen Magnetpolposition eines bürstenlosen Motors des Permanentmagnettyps gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Fig. 2 ist ein Flussdiagramm, welches das Verfahren zum Feststellen der anfänglichen Magnetpolposition des bürstenlosen Motors von Fig. 1 darstellt. Fig. 3 ist ein Wellenformdiagramm des Strombefehls der γ-Achse von Fig. 1. Fig. 4 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen den γ- und d-Achsen von Fig. 1 zeigt. Fig. 5 ist eine θe-fγ-Kennlinie gemäß Fig. 2. Fig. 6 ist ein Diagramm, das die korrigierte Wellenform einer geschätzten Magnetachse θγ gemäß Fig. 2 zeigt. Fig. 7 ist ein Diagramm, das eine andere Phasen-korrigierte Wellenform der geschätzten Magnetachse θγ von Fig. 6 zeigt.

In Fig. 1 wird ein wie in Fig. 3 gezeigter schrittweiser γ-Achsen-Strombefehl iγRef aus einer γ- Achsen-Stromerzeugungsschaltung 1 ausgegeben. Ein γ-Achsenstrom iγ wird erhalten, indem Ströme iu, iv zum Steuern eines bürstenlosen Motors 8 über einen Stromsensor oder ähnliches in einen Umkehrabschnitt 5 eingegeben und in einem Drei-zu-zwei-Phasen- Umwandlungsabschnitt 6 umgewandelt werden. Die Ströme iγRef und iγ werden in einen γ- Achsen-Stromsteuerabschnitt 2 eingegeben, um einen Spannungsbefehl vγ* zu erzeugen.

Weiterhin wird ein δ-Achsen-gerichteter Spannungsbefehl vδ* durch einen δ-Achsen- Stromsteuerabschnitt 3 erzeugt. Dabei wird vδ* jedoch null, weil ein δ-Achsen-gerichtetes Steuersystem eine gesteuerte Verstärkung von null aufweist. Daraufhin wird in einer θγ- Erzeugungsschaltung 7 (siehe Fig. 4) ein Korrekturwinkel θe aus dem γ-Achsen-Strombefehl iγRef und einem δ-Achsen-Strom iδ bestimmt, um einen γ-Achsenwinkel θγ zu aktualisieren. Dementsprechend werden eine Spannungsbefehlgröße V* und eine Ausgabephase θv aus einem Vektorsteuerbereich 4 zu dem Umkehrabschnitt 5 ausgegeben, doch weil vδ* gleich null ist, durch V* = vδ* , θv = θγ.

Im Folgenden wird der Betrieb der vorliegenden Erfindung beschrieben.

Wie in Fig. 2 dargestellt, werden zuerst wenigstens Ströme in zwei Phasen aus dem Drei- Phasen-Strom des bürstenlosen Motors 8 des Permanentmagnettyps, in diesem Fall die Ströme iu(K), iv(K), die jeweils ein u-Phasenstrom und ein v-Phasenstrom (oder eine andere Kombination aus Phasenströmen) sind, zum Zeitpunkt (K-Ts) Sekunden (Ts: aktuelle Schleifenabtastzeit) eingegeben (S101).

Darauf wird eine Zwei-zu-drei-Phasenumwandlung in Übereinstimmung mit einer Position θγ (K) (siehe Fig. 4) der γ-Achse weg von einer α-Phase durchgeführt, um iγ(K), iδ(K) zu erhalten (S102). Dann erfolgt in S103 eine Verzweigung in Übereinstimmung mit dem γ- Achsen-Strombefehl iγRef(K) des schrittweite alternierenden Stroms von Fig. 3 (S103).

Wenn in einer Ausführungsroutine iγRef(K) nicht gleich null ist, dann wird "Sign[iγRef(K)] iδdt" auf der Basis der in S103 getroffenen Entscheidung berechnet, bevor es in fγ(t) gespeichert wird (S104). In den folgenden Schritten S105, S106 und S107 wird θγ durch Δθe in Übereinstimmung mit dem Vorzeichen von fγ(t) wie in Fig. 4 gezeigt geändert, wodurch eine Einstellung gemacht wird, damit die γ-Achse mit einer d-Achse als eine echte magnetische Achse ausgerichtet ist.

Zuerst wird entschieden, ob fγ(t) ≥ 0 oder nicht, und wenn entschieden wird, dass fγ(t) ≥ 0 (S105: Ja), dann wird die Äderungsgröße Δθe von θγ positiv (S106). Wenn entscheiden wird, dass fγ(t) > 0 (S105: Nein), dann wird die Änderungsgröße Δθe negativ (S107).

Die Operation zum Ausrichten der γ-Achse mit der d-Achse wird auf diese Weise durchgeführt, wobei ein Strombefehl iγRef(K + 1) für (K + 1)Ts Sekunden mittels einer Zeitschalterunterbrechung vorbereitet wird. Dann wird wie in Fig. 3 gezeigt schrittweise iγRef(K + 1) ausgegeben (S108).

Wenn im Fall einer Ausführungsroutine iγRef(K) = 0 im vorausgehenden Schritt S103 verzweigt, wird entschieden, ob iγRef(K - 1) = 0 oder nicht (S109), indem der Prozessfluss gemäß dem vorausgehenden y-Achsen-Strombefehl iγRef(K - 1) geändert wird. Wenn entschieden wird, dass iγRef(K - 1) = 0 ist (Schritt S109: Ja), dann wird θγ(K + 1) = θγ(K) so gelassen, wie es ist (S110). Wenn entschieden wird, dass iγRef(K - 1) nicht gleich 0 ist (S109: Nein), dann wird die γ-Achsenposition θγ in Übereinstimmung mit dem Δθe aktualisiert (S111), das in den Ausführungsroutinen in und nach dem vorausgehenden Schritt S104 bestimmt wurde. Mit anderen Worten wird θγ nur ein Mal in den Zweigroutinen S109-S111 in Übereinstimmung mit dem in Schritt S104-S107 bestimmten Δθe aktualisiert.

Darauf wird der integrale Term von is für die Verzweigungsroutinen der folgenden Schritte S104-S107 zurückgesetzt.

Fig. 6 und 7 zeigen die Ergebnisse der Tests, die zum Einstellen von θγ mittels des oben genannten Verfahrens zum Schätzen der Magnetpolpositionen unter den Bedingungen durchgeführt wurden, dass die anfänglichen Magnetpolpositionen geschätzt werden, wenn die γ-Achse und die d-Achse zu Beginn mit einem elektrischen Winkel von 90º voneinander entfernt waren. Die Testergebnisse zeigen, dass die d-Achse oder -d-Achse mit einer Geschwindigkeit von bis zu 0,1 Sekunden geschätzt wurde.

Es ist also möglich, die anfängliche Magnetpolposition schnell zu erhalten, indem gemäß dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung lediglich die Position in Übereinstimmung mit den positiven bzw. negativen Vorzeichen des Produkts aus dem integralen Wert des Interferenzstroms iδ und aus dem γ-Achsenstrom geschätzt wird. In diesem Verfahren hat die Verwendung einer Integration für die Operationen zur Folge, dass die Tendenz zu einer Beeinflussung durch das Rauschen von Stromsensoren reduziert wird. Weiterhin kann eine stabile geschätzte Einstellung vorgenommen werden, weil nicht die Größe, sondern nur das positive oder negative Vorzeichen der Strompolarität zum Treffen einer Entscheidung erforderlich ist und weil die Induktivität nur eine Differenz zwischen Lg und Ld erfordert, aber nicht durch die Größe der Differenz beeinflusst wird. Weil weiterhin der Strombefehl iyref alternierend ausgegeben wird, ist das durchschnittliche Drehmoment gleich null, so dass der Magnetpol geschätzt werden kann, während der Motor angehalten ist und der Läufer sich nicht dreht.

Um wie oben erläutert eine Magnetpolposition eines bürstenlosen Motor des Permanentmagnettyps zu schätzen, werden die folgenden Schritte durchgeführt. Eine bestimmte γ- Achse und eine bestimmte δ-Achse, die um einen elektrischen Winkel von 90º gegenüber der γ-Achse vorgerückt ist, werden eingestellt. Es wird ein elektrisches Stromregelsystem in der Richtung der γ-Achse gebildet, während ein elektrisches Stromsteuersystem in der Richtung der δ-Achse gebildet wird. Dann wird ein Interferenzstrom berechnet, der in der Richtung der δ-Achse erzeugt wird, wenn ein Strombefehl in der Richtung der γ-Achse als schrittweite alternierender Strombefehl ausgegeben wird. Die γ-Achse wird um einen Winkel von Δθ fein vorgerückt, wenn das Vorzeichen des Produkts aus einem Integralwert des Interferenzstroms und einem Wert des Strombefehls in der Richtung der γ-Achse positiv ist.

Wenn das Vorzeichen negativ ist, wird die γ-Achse dagegen um einen Winkel von Δθ fein verzögert. Dadurch wird die γ-Achse entweder mit einer d-Achse als wahrer magnetischer Achse oder mit einer um 180º zu der wahren magnetischen Achse versetzten -d-Achse ausgerichtet. Auch wenn elektrische Parameter wie etwa die Induktivität, der Widerstand oder ähnliches nicht genau erfasst werden, kann die anfängliche Magnetpolposition eines Läufers geschätzt werden, wobei der Motor nicht betrieben wird, d. h. der Läufer nicht gedreht wird.


Anspruch[de]

1. Verfahren zum Schätzen der Magnetpolposition eines bürstenlosen Motors des Permanentmagnettyps, das die folgenden Schritte umfasst:

Einstellen einer bestimmten γ-Achse und einer bestimmten δ-Achse, die um einen elektrischen Winkel von 90º gegenüber der γ-Achse vorgerückt ist,

Bilden eines geschlossenen elektrischen Stromregelkreises in der Richtung der γ-Achse und Bilden eines offenen elektrischen Stromsteuerkreises in der Richtung der δ-Achse,

Berechnen eines in der Richtung der δ-Achse erzeugten Interferenzstroms, wenn ein Strombefehl in der Richtung der γ-Achse als schrittweise alternierender Strombefehl ausgegeben wird,

Feines Vorrücken der γ-Achse um einen Winkel von Δθ, wenn das Vorzeichen des Produkts aus einem Integralwert des Interferenzstroms und einem Wert des Strombefehls in der Richtung der γ-Achse positiv ist,

Feines Verzögern der γ-Achse um einen Winkel von Δθ, wenn das Vorzeichen negativ ist, und

wodurch die γ-Achse mit entweder einer d-Achse als wahrer magnetischer Achse oder mit einer um 180º gegenüber der wahren magnetischen Achse vorgerückten -d-Achse ausgerichtet wird.







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