DE19838227A1 - Verfahren zur Bestimmung der Rotorlage eines Synchronmotors - Google Patents

Abstract

Bei einem Verfahren für die Lagebestimmung des Rotors eines Synchronmotors, wobei zur Ansteuerung des Synchronmotors ein Frequenzumrichter mit einer Summenstrommessung des Laststromes der Leistungsstellglieder für die Strombegrenzung vorgesehen ist, welche ein Abschalt-Signal liefert und dieses Signal das Abschalten der Umrichterbrücke bewirkt und den Motor damit ganz oder teilweise spannungsfrei schaltet, ist zur Erzielung einer schnellen, einfachen und genauen Bestimmung der Rotorlage beim Einschalten des Netzes vorgesehen, daß nacheinander unterschiedliche Spannungen an die Motorphasen angelegt und dementsprechend unterschiedliche Feldvektoren im Motor erzeugt werden, wobei die Zeit vom Anlegen dieser Spannungen bis zum Erreichen der vorgegebenen Abschalt-Stromschwelle gemessen und aus diesem Vergleich der gemessenen Zeiten auf die Rotorlage geschlossen wird.

Description

Die Erfindung richtet sich auf ein Verfahren für die Lagebestimmung des Rotors eines Synchronmotors nach dem Einschalten der zugehörigen Steue­ rung, wobei zur Ansteuerung des Synchronmotors ein Frequenzumrichter mit einer Summenstrommessung des Laststromes der Leistungsendstufen für die Strombegrenzung vorgesehen ist, welche ein Signal liefert, welches mit einer Übertragungsstrecke auf die Niederspannungsseite des Frequen­ zumrichters übertragen wird, wobei dieses Signal das Abschalten der Um­ richterbrücke bewirkt und hierzu auf einen Eingang eines Mikroprozessors geschaltet ist, und wobei eine Pulsweitenmodulations-Einrichtung (PWM) zur Erzeugung von drei um je 120° gegeneinander verschobenen Phasen­ strömen in den mindestens drei Phasen des Motors vorgesehen ist.

Die Ermittlung der Rotorlage nach dem Einschalten ist wichtig, damit die Steuerung mit den daraus abgeleiteten Ansteuersequenzen den Motor in der vorgesehenen Richtung ohne Jitter anlaufen lassen kann. Nach spätestens einer Umdrehung wird der Motor über ein Synchronsignal eines Inkre­ mentalgebers exakt kommutiert. Wegen der Bedeutung der Bestimmung der Rotorlage sind diesbezüglich bereits verschiedene Verfahren aus dem Stand der Technik bekannt.

Zum einen kann die Anstiegsgeschwindigkeit der Phasenströme beispiels­ weise mit Analog-Digital-Wandlern gemessen und die Rotorlage über be­ kannte Motorparameter berechnet werden, wie dies beispielsweise aus US-A-5 726 549 bekannt ist.

In DE 196 37 161 A1, DE 196 09 701 A1, EP 0 784 378 A1, DE 197 00 479 A1 und EP 0 670 627 A1 werden Verfahren beschrieben, die mit einer Messung des Drehmomentes bei unterschiedlichen Ansteue­ rungen entweder direkt mit entsprechenden Sensoren oder indirekt über eine Geschwindigkeitsmessung arbeiten.

Bekannt ist auch das Messen der Phasenströme und das Vergleichen dieser Ströme, beispielsweise aus EP 0 793 337 A1.

Die EP 0 517 393 A1 schildert die Bestimmung der Anlaufrichtung eines Gleichstrommotors mittels Messung des Stromanstieges in den Phasen vor und nach einer Rotorbewegung.

Aus der EP 0 780 966 A1 ist die Messung des Freilaufstromes nach einer Bewegung des Rotors bekannt.

Letztlich beschreibt die EP 0 573 198 A1 die Messung von Strom und ma­ gnetischem Fluß nach Bestimmung der Rotorlage.

Diese vorbekannte Verfahren benötigen entweder teuere Sensoren und/oder müssen den Rotor für die Erfassung der Meßdaten bewegen. Außerdem müssen wenigstens teilweise Motordaten und im Prinzip auch Betriebsbe­ dingungen, wie Netzspannung, Temperatur, Belastung u. dgl. bekannt sein. Bei den eingangs angesprochenen Verfahren ändert sich beispielsweise der Strangwiderstand in Abhängigkeit von der Temperatur und damit auch die Anstiegsgeschwindigkeit der Phasenströme, so daß deren Messung also eine Temperaturabhängigkeit aufweist.

Bei der vorstehend an zweiter Stelle abgehandelten Gruppe von Meßver­ fahren ändert sich etwa die Reibung der Lager in Abhängigkeit von der Temperatur und damit auch das erforderliche Drehmoment. Allein dieser Parameter "Temperatur" kann je nach Einsatzbereich und eventuell voraus­ gegangenem Betrieb sehr stark schwanken, so daß dieser Parameter erfaßt werden muß. Selbst bei Vornahme einer entsprechenden temperaturabhän­ gigen Korrektur ergeben sich Ungenauigkeiten bei der Bestimmung der Rotorlage. Ohne eine entsprechende Korrektur kann eine Bestimmung so­ gar unmöglich werden.

Bei der an zweiter Stelle angesprochenen Gruppe von Verfahren muß man für unterschiedliche Anwendungen mit der gleichen Steuerung mindestens einen Parameter für das Einstellen des Anlaufmomentes vorsehen. Sind innerhalb dieser konkreten Anwendung unterschiedliche Anlaufmomente erforderlich, so können diese Verfahren trotz dieser Anpassungsmöglich­ keit an ihre Grenzen stoßen.

Bei einigen der vorbekannten Verfahren werden zumindest zwei Stromsen­ soren benötigt und bei wieder anderen Verfahren muß eine Bewegung des Rotors in Kauf genommen werden.

Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfah­ ren zur Rotorlagebestimmung beim Einschalten anzugeben, bei welchem die Nachteile der aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren vermie­ den werden, wobei insbesondere mit geringem Hardwareaufwand eine schnelle und genaue Positionsbestimmung ermöglicht werden soll.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß nacheinander unterschiedliche Spannungsimpulse an die Motorphasen U, V, W angelegt und dementsprechend unterschiedliche Feldvektoren erzeugt werden, wobei die Zeit vom Anlegen dieser Spannungsimpulse bis zum Erreichen der vor­ gegebenen Abschalt-Stromschwelle gemessen und aus diesem Vergleich auf die Rotorlage geschlossen wird.

Dabei wird als Abschalt-Stromschwelle vorzugsweise das Strombegren­ zungs-Pegel für den Summenlaststrom der Umrichterbrücke herangezogen.

Auf diese Weise läßt sich aufgrund des Vergleichs der so ermittelten Meß­ werte und tabellenmäßig erfaßten Meßwerten die Rotorlage auf 15° elek­ trisch genau ermitteln, ohne daß eine Kenntnis der Motordaten erforderlich wäre. Allerdings ermöglicht es eine Kenntnis dieser Motorparameter, die Position noch erheblich genauer zu bestimmen, da dann die Stromanstiegs­ zeiten bei jeder Stellung des Rotors bekannt sind. Um ein sicheres Anlau­ fen nach der Netzeinschaltung zu gewährleisten, ist allerdings die Ermitt­ lung der Winkelstellung auf 15° genau ausreichend, da im normalen Be­ trieb nach spätestens einer Umdrehung die Rotorlage mittels eines Syn­ chronsignals exakt ermittelt wird.

Stand der Technik ist es also, daß die Summenstrommessung zur Strombe­ grenzung benutzt wird, um die Leistungsstellglieder und den Motor vor unzulässig hohen Strömen zu schützen. Erfindungsgemäß ist demgegenüber vorgesehen, daß diese Strombegrenzung ohne jeglichen Mehraufwand an Bauelementen nun auch zur Feststellung der Rotorlage benutzt werden kann.

Günstigerweise ist vorgesehen, daß nach einem ersten Spannungsimpuls ein hinsichtlich des von diesem ersten Spannungsimpuls erzeugten Drehmoments entgegengesetzter Spannungsimpuls angelegt wird. Die er­ findungsgemäß vorgesehenen Spannungsimpulse sind zwar so dimensio­ niert, daß eine Rotorbewegung nicht eintritt. Durch eine Aufeinanderfolge entgegengesetzter Impulse wird aber in jedem Fall zuverlässig erreicht, daß diese sich gegenseitig hinsichtlich ihrer Drehmomente weitgehend neutrali­ sieren.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Ab­ schalt-Stromschwelle umschaltbar und/oder freiprogrammierbar ist. Auf diese Weise ist es möglich, zum Zweck der Rotorlagebestimmung mit einer nied­ rigeren Stromschwelle zu arbeiten und trotzdem die hardwaremäßigen Komponenten zu verwenden, die für den Überlastfall vorgesehen sind. Hierdurch wird der Vorteil erreicht, daß ein bei der Messung hörbares Knackgeräusch, wie es bei Abschalt-Stromstärken auftritt, aufgrund der einstellbaren niederen Stromstärken vermieden wird.

Die Messung des Summenlaststromes der Umrichterbrücke kann vorteil­ hafterweise kombiniert werden mit einer zweiten Summenstrommessung, wobei die zweite Summenstrommessung mit Vorteil eine analoge Messung sein kann. Dies stellt eine alternative Möglichkeit dar, mit einem kleineren Strom ein Signal zu erzeugen und störende Knackgeräusche zu vermeiden.

Bei einer aufwendigeren Hardwarelösung kann vorgesehen sein, die Strommessung mittels A/D-Wandler zu realisieren, so daß dann die Zeit bis zum Erreichen jeder beliebigen Stromhöhe ermittelt werden kann.

Letztlich kann noch vorgesehen sein, daß zwei Messungen des Summen­ laststromes der Umrichterbrücke vorgenommen werden und die Meßdiffe­ renz ausgewertet wird.

Der vorstehend angesprochene Summenlaststrom läßt sich wie folgt defi­ nieren: Der Summenlaststrom der/des Umrichterbrücke/Frequenzumrichters ist der Strom, welcher durch Schalten der Leistungsstellglieder, mit wel­ chen eine Spannung an den Motor angelegt wird, unter Vernachlässigung der Ansteuerströme der Leistungsstellglieder, durch die Leistungsstellglie­ der und den angeschlossenen Motor fließt und am Fußpunkt oder Einspei­ sepunkt der Umrichterbrücke gemessen wird.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungs­ beispiels in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:

Fig. 1 eine erste Beschaltungsvariante der Motorphasen U, V. W zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,

Fig. 2 eine Fig. 1 entsprechende zweite Beschaltungsvariante und

Fig. 3 ein Blockschaltbild zur Veranschaulichung eines gattungsgemäß als bekannt vorausgesetzten Motors und Komponenten von dessen Steuerung.

Die in Fig. 3 dargestellte Schaltungsanordnung, die einen Frequenzum­ richter bildet, umfaßt einen Netzgleichrichter 1, ein Schaltnetzteil 2 mit Übertrager zur Erzeugung der Spannungen/Potentiale U1, . . . U9, 5 V, 15 V, 24 V, GND, eine Glättungsanordnung 3 der gleichgerichteten Netzspan­ nung, Versorgung mit Zwischenkreisspannung Uzwk und U10 des Schalt­ netzteiles sowie der Umrichterbrücke mit den Leistungssteller T1, T2, T3, T4, T5 und einen Mikroprozessor 4 mit drei unabhängigen Pulsweitenmo­ dulationseinheiten zur Erzeugung der drei, 120° phasenverschobenen An­ steuersignale für die Leistungsendstufen T1, . . . T6.

Im µP werden intern per Software drei 120° phasenverschobene Signale aus den Anforderungen des Ablaufprogramms gebildet und in die drei un­ abhängigen PWM Einheiten geladen. Diese erzeugen die Signale xU, xW, xV. Diese werden jeweils, um die Leistungsstellgliederpaare T1/T2, T3/T4, T5/T6 ansteuern zu können, für T1, T3, T5 mit (5), (6), (7) invertiert. Die so erzeugten sechs Signale gelangen auf einen UND-Funktionsblock, wobei sie mit dem Signal aus (14) logisch UND verknüpft werden.

Eine Ansteuerung der Transistoren erfolgt nur dann, wenn das Signal (14) logisch = 1 ist. Bei logisch = 0 sind die Endstufen T1, . . . T6 gesperrt und der Motor erhält keine Spannung.

Die Elemente (29, 30, 31, 32, 33, 34) dienen dazu sicherzustellen, daß beim direkten Umschalten in den Paaren, z. B. T1/T2, zuerst der Transistor T1 ausschaltet und zeitverzögert T2 einschaltet und umgekehrt. Dies gilt ebenso für die anderen Paare. Es soll verhindern, daß bedingt durch Spei­ cherzeiten beim Ausschalten eines Transistors dieser noch eingeschaltet bleibt und der andere schon einschaltet. Dadurch würden kurzzeitig sehr hohe Kurzschlußströme entstehen, die zu einer Zerstörung der T1, . . . T6 füh­ ren könnten.

Über die Trennstrecke (23, 24, 25, 26, 27, 28) werden die Signale nun auf die T1, . . . T6 übertragen. Die Trennstrecken-Bausteine (23, 24, 25, 26, 27, 28) werden von den Spannungen U2/U6, U1/U5, U4/U8, U3/U7 versorgt. Diese Stufe dient dazu, den Niederspannungsteil vom Hochspannungsteil sicher zu trennen.

Werden nun durch obengenannte Komponenten Signale zur Ansteuerung des Motors erzeugt, z. B. zum Zeitpunkt t1 zur Ansteuerung der Leistungs­ stellglieder T1, T3, T4, so werden diese T1, T3, T4 angesteuert und über T1 die Phase U (Spule U) des Motors an die Zwischenkreisspannung ge­ legt. Es fließt der Summenstrom Isum aus dem Zwischenkreis Uzwk durch den T1 in die Spule U des Motors, teilt sich in die Spule V und Spule W des Motors in jeweils Isum/2 auf, diese fließen über T4 und T6 am Fuß­ punkt der Umrichterbrücke wieder zusammen und bilden wiederum den Summelaststrom Isum.

Dieser fließt durch einen Meßshunt und bilden dort die Spannung Usum. Diese wird mit den Komparatoren (19, 20) mit der in (21) gebildeten Refe­ renzspannung verglichen. Die Komparatoren sind jeweils so ausgelegt, daß sie bei +Usum und -Usum jeweils messen.

Überschreitet nun im oben beschriebenen Ansteuerfall die Spannung +Usum die Referenzspannung, schaltet der Komparator (die Strombegren­ zung hat angesprochen) über das logische ODER (18), gelangt das Signal an die Übertragungsstrecke (17 Trennstrecke). Diese ist so ausgelegt, daß im Falle, daß bis zum Erreichen des zulässigen Stromes durch den Meßshunt ständig ein Signal über (17) übertragen wird. Der Komparator schaltet nun im obengenannten Fall bei Erreichen des zulässigen Stromes Isum das Übertragungssignal ab. Dies wird vom folgenden Zeitglied er­ kannt und erzeugt über (15) an (14) ein Signal logisch = 0 und sperrt somit die vom µP erzeugten Signale. Somit werden die Transistoren gesperrt, die Spannung Uzwk wird vom Motor weggeschaltet und der Strom durch den Motor komutiert nun in die Freilaufdioden der Transistoren T5, T3, T2. Dadurch kommt ein Stormfluß von (-)Isum über die Abklingzeit zustande. Am Meßshunt bildet sich die Spannung (-)Usum aus und der zweite Kom­ parator verhindert über die Übertragungsstrecke über (16, 15), daß bei "sehr langer Abklingzeit" die Transistoren in einen unzulässig hohen Re­ versstrom zuschalten.

Weiterhin erzeugt das Zeitglied (16) angestoßen durch den ersten Kompa­ ratorfall eine Auszeit, um künstlich eine Zeitverlängerung der Auszeit zu erzeugen. Ohne dieses Zeitglied würden nur die Gatterlaufzeiten zeitverzö­ gernd wirken und der ganze Kreis mit extrem hohen Frequenzen die Tran­ sistoren Ein/Ausschalten. Dies würde T1, . . . T6 unzulässig erwärmen.

Das Signal aus (17) wird parallel zu (16) auf (15) geführt, um bei Ausfall der Übertragungsstrecke den Umrichter dauerhaft auszuschalten.

Weiterhin wird das Signal aus (17) auf einen Eingang des µP (4) geführt, um ein Ansprechen der Strombegrenzung durch (19, 20) zu erkennen.

Das von (17) kommende Signal Ibegd wird, wie nachfolgend beschrieben, dazu benutzt, da erfindungsgemäße Verfahren zu realisieren.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Positions-Ermittlungs-Verfah­ rens werden die in Fig. 1 dargestellten Phasen U, V, W nacheinander an die Zwischenkreisspannung Uz angelegt. Je nach Rotorlage ergeben sich unter­ schiedliche Stromanstiegszeiten, da der Rotor mit seinen Permanentma­ gneten die Induktivität der Spulen beeinflußt.

Alternativ kann auch eine in Fig. 2 dargestellte Sequenz zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens herangezogen werden, wobei bei dieser Variante in jedem Schritt jeweils eine Phase meßtechnisch nicht erfaßt wird.

Die Spannungsimpulse bei dem erfindungsgemäßen Verfahren sind, wie eingangs bereits erwähnt, sehr kurz und erzeugen ein so geringes Drehmo­ ment, daß dieses im Regelfall nicht ausreicht, um den Rotor zu bewegen. Um aber auch dieses minimale Drehmoment zu kompensieren, kann nach jeder Messung eine gegenpolige Kompensations-Spannung angelegt wer­ den. Da die so erzeugten Felder gegenphasig und gleich groß sind, heben sich die resultierenden Drehmomente auf.

Man kann also nach einem Meßschritt gemäß Fig. 1b sofort den Schritt gemäß Fig. 1a zum Kompensieren des Drehmomentes folgen lassen. Wird die Sequenz, wie sie in Fig. 1 dargestellt ist, durchlaufen, und zwar ausge­ hend von der Situation gemäß Fig. 1a, muß auf die einzelnen Meßschritte gemäß Fig. 1a, 1c und 1e nicht notwendigerweise ein gesonderter Meß­ schritt gemäß Fig. 1b, 1d und 1f zum Kompensieren erzeugt werden. In der dargestellten Abfolge der Sequenz ist jeweils der zweite Meßschritt gleich­ zeitig auch Drehmoment-Kompensationsschritt zum vorhergegangenen Meßschritt.

Zur einer genaueren Ermittlung der Rotorlage ohne Kenntnis und Berück­ sichtigung der Motordaten kann eine Kombination der Meßschritte entspre­ chend den Sequenzen nach Fig. 1 und Fig. 2 herangezogen werden.

Eine weitere Möglichkeit zur Genauigkeitssteigerung besteht darin, daß man mittels Pulsweitenmodulation der drei Phasen einen beliebig verän­ derbaren Feldvektor erzeugt, so daß es möglich ist, denjenigen Feldvektor mit der geringsten oder größten Stromanstiegszeit zu ermitteln und hieraus mit hoher Genauigkeit die Rotorlage zu bestimmen. Naturgemäß verlängert sich bei dieser Verfahrensvariante die Zeit zur Ermittlung der Rotorlage, da mehrere Messungen vorgenommen werden müssen.

Claims (7)

1. Verfahren für die Lagebestimmung des Rotors eines Synchronmotors, wobei zur Ansteuerung des Synchronmotors ein Frequenzumrichter mit einer Summenstrommessung des Laststromes der Leistungsstellglieder für die Strombegrenzung vorgesehen ist, welche ein Abschalt-Signal liefert und dieses Signal das Abschalten der Umrichterbrücke bewirkt und den Motor damit ganz oder teilweise spannungsfrei schaltet, dadurch gekennzeich­ net, daß nacheinander unterschiedliche Spannungen an die Motorphasen angelegt und dementsprechend unterschiedliche Feldvektoren im Motor erzeugt werden, wobei die Zeit vom Anlegen dieser Spannungen bis zum Erreichen der vorgegebenen Abschalt-Stromschwelle gemessen und aus diesem Vergleich der gemessenen Zeiten auf die Rotorlage geschlossen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Ab­ schalt-Stromschwelle das Strombegrenzungs-Pegel für den Summenlast­ strom der Umrichterbrücke herangezogen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nach einem ersten Spannungsimpuls ein hinsichtlich des von diesem ersten Span­ nungsimpuls erzeugten Drehmoments entgegengesetzter Spannungsimpuls angelegt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ab­ schalt-Stromschwelle umschaltbar und/oder freiprogrammierbar ist.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Messung des Summenlaststromes der Umrichterbrücke kombiniert wird mit einer zweiten Summenstrommessung.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Summenstrommessung eine analoge Summenstrommessung ist.

7. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Mes­ sungen des Summenlaststromes der Umrichterbrücke vorgenommen werden und die Meß-Differenz ausgewertet wird.