DE3113092A1

DE3113092A1 - "schaltungsanordnung zur erzeugung eines drehfelds fuer eine als schwungradstarter fuer eine fahrzeug-brennkraftmaschine dienende drehstrom-synchronmaschine"

Info

Publication number: DE3113092A1
Application number: DE19813113092
Authority: DE
Inventors: Erhard Dipl.-Ing. 3180 Wolfsburg Bigalke
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 1981-04-01
Filing date: 1981-04-01
Publication date: 1982-10-21
Also published as: JPS57177400U; US4426585A

Description

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AKTIENGESELLSCHAFT

3180 Wolfsburg

-H-K 3102/1702-pt-hu-sa

31. März 1981

Schaltungsanordnung zur Erzeugung eines Drehfelds für eine als Schwungradstarter für eine Fahrzeug-Brennkraftrnaschine dienende Drehstrom-Synchronmaschine

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein Kraftfahrzeug, in dessen Schwungrad ein sowohl als Lichtmaschine als auch als Anlasser dienender Elektromotor gleichsam integriert ist, ist beispielsweise aus der DE-OS 29 25 675 bekannt. Anordnungen dieser Art bieten den besonderen Vorteil, daß bei bestimmten Betriebszuständen, insbesondere wenn die Brennkraftmaschine das Kraftfahrzeug nicht antreibt, die Maschine nach Entkuppeln vom Schwungrad stillgesetzt und unter Ausnutzung der im Schwungrad gespeicherten kinetischen Energie wieder in Gang gebracht werden kann. Eine derartige, auch als "Schwungnutze" bezeichnete Anordnung bietet also den Vorteil einer besonderen Energieersparnis durch die Möglichkeit des Stillsetzens und schnellen erneuten Startens der Brennkraftmaschine.

Bezüglich des Aufbaus eines derartigen Kraftfahrzeugantriebs im einzelnen wird auf die genannte Offenlegungsschrift verwiesen, da dies nicht Gegenstand der Erfindung ist.

Vorsitzender Vorstand: Toni ScfimUcker, Vorsitzender · Claus Borgward · Korl-Keinz Brlam · Prof. Dr. techn. Ernst Fiala · Dr. Jur. Peter Frerk

des Aufsichtsrats: Gr.j'jr.Wolfgang R.Habbel · Günter Harlwich · Horst Münzner · Dr.rer.pol.Werner P.SSi-idt · PfOi.Dr.rer:pol.FriedriCiThomee Kerl Gjs'.a! Rsijsn' Sitz der Gesellschaft: Wolfsburg ' Amtsgericht Wolfsburg HRB

Die Feldwicklungen einer derartigen Drehstrom-Synchronmaschine müssen mit einem Drehfeld gespeist werden, das mit dem Läufer der Synchronmaschine phasenrichtig umläuft bzw. von ihm mitgeführt wird. Dabei müssen die verschiedenen Feldwicklungen, in der Regel drei oder sechs Wicklungen, während genau einzuhaltender identischer Stromflußwinkel gespeist werden, und wie sich weiterhin gezeigt hat, muß der Polradwinkel, d.h. der Winkel zwischen dem umlaufenden Drehfeld und dem Läufer der Synchronmaschine, beispielsweise zwecks Optimierung des Hochlaufs der Synchronmaschine mit der angekoppelten Brennkraftmaschine variiert werden.

Der Erfindung liegt demgemäß die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 zu schaffen, die im erforderlichen Maße unempfindlich gegen Toleranzen von Sensoren und elektronischen Bauteilen ist, also die Stromflußwinkel für alle Feldwicklungen der Synchronmaschine exakt einzuhalten gestattet, und eine einfache Möglichkeit zur Variation des Polradwinkels beispielsweise während des Hochlaufs der Synchronmaschine bietet.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe besteht in einer Schaltungsanordnung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1.

Die Genauigkeit der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung beruht vor allem auf der Verwendung nur eines einzigen Eisenkreis-Sensors, aus dessen die von der jeweiligen Drehzahl abhängige Polteilungszeit wiedergebenden Impulssignalen Stromflußsignale für alle Feldwicklungen abgeleitet werden. Derartige Eisenkreis-Sensoren, also beispielsweise Hallgeber, Feldplattengeber oder auch induktive Geber (die allerdings nicht bei der Drehzahl 0 arbeiten), sind an sich bekannt. Sie besitzen den Nachteil, daß ihre Ausgangssignale von Toleranzen des Luftspalts sowie von der Temperatur abhängig sind. Würde man also in naheliegenderer Weise zur Gewinnung der Stromflußsignale für die einzelnen Feldwicklungen individuelle Sensoren vorsehen, so würde es einer aufwendigen Abgleicharbeit bedürfen, um die individuellen Toleranzen dieser Sensoren unwirksam zu machen.

Die beschriebene Verwendung nur eines Eisenkreis-Sensors und die Ableitung der Stromflußsignale für alle Feldwicklungen der Synchronmaschine aus den von

diesem Sensor erzeugten Impulssignalen macht auch die Veränderbarkeit des Polradwinkels sehr einfach. Hierzu braucht nämlich der Teilerschaltung, die also zur Ableitung der Stromflußsignale für die einzelnen Feldwicklungen dient, lediglich eine Verzögerungsschaltung zugeordnet zu werden, die in Abhängigkeit von einer Kenngröße, die die Wirksamkeit des jeweils eingestellten Polradwinkels kennzeichnet, ein Signal zum Verändern oder zum Beibehalten des Polradwinkels erzeugt.

Ein grundsätzlicher Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, daß die Schaltungsanordnung aus an sich bekannten und bewährten Bauteilen zusammengesetzt werden kann. Insbesondere können die Teilerschaltung und die Verzögerungsschaitung gemäß Patentanspruch 2 durch einen an sich bekannten Mikrocomputer gebildet sein.

Die übrigen Unteransprüche schützen vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der Erfindung.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung erläutert, deren

Fig. 1 das Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung" wiedergibt, während in

Fig. 2 mehrere Impulsdiagramme gezeichnet sind.

Betrachtet man zunächst Fig. 1, so weist der Drehstrom-Synchronmotor 1 den wicklungslosen Läufer 2 sowie einen nicht gezeichneten Ständer auf, der in diesem Ausführungsbeispiel drei Feldwicklungen 3, k und 5 sowie die Gleichstrom-Erregerwicklung 6 der Synchronmaschine aufnimmt. Es handelt sich also um eine kontaktlose Synchronmaschine. Der Läufer 2 ist mit radial nach außen weisenden Zähnen 7 versehen, die aus magnetisch wirksamem Material bestehen, während die Zwischenräume zwischen den Zähnen magnetisch wirkungslos sind, gegebenenfalls zur Erhöhung der Masse des einen Bestandteil des Schwungrads darstellenden

Läufers 2 mit einem schweren nichtmagnetischen Material ausgefüllt sind. Handelsübliche Synchronmaschinen besitzen beispielsweise 39 Zähne. Damit ergibt sich ein bestimmter, in Fig. 1 mit bezeichneter Polteilungswinkel.

Die Feldwicklungen 3, 4 und 5 (grundsätzlich kann auch eine Vielzahl von drei Feldwicklungen vorhanden sein) müssen aufeinanderfolgend während gleich großer Stromflußwinkel mit Strom gespeist werden. Bezüglich des Eisenkreis-Sensors 8, beispielsweise eines Hallgebers, der im Bereich der Bewegungsbahn der Zähne 7 des Läufers 2 fest angeordnet ist, erscheinen diese Stromflußwinkel als von der jeweiligen Drehzahl des Läufers abhängige Stromflußzeiten a .. Aufgabe der in Fig. 1 dargestellten Schaltungsanordnung ist es nun, aus den von dem einzigen Sensor 8 gelieferten Impulssignalen i Stromflußsignale für die drei Feldwicklungen 3, 4 und 5 zu gewinnen, die den oben definierten Ansprüchen genügen.

Betrachtet man die Zeitdiagramme nach Fig. 2, und zwar zunächst das mit a bezeichnete Diagramm, so liefert der Sensor 8 ein Impulssignal i, das die Polteilungszeit α . wiedergibt. Dieses Signal wird dem Mikrocomputer 9 zugeführt, der einen Timer enthält, dessen Taktimpulse im Diagramm b der Fig. 2 angedeutet sind. Man erkennt, daß die Taktfrequenz sehr hoch bezüglich der Frequenz des Impulssignals i ist. Der Mikrocomputer ermittelt diejenige Anzahl ζ dieser Taktimpulse, die in die Polteilungszeit α fallen. Diese Zahl wird dann durch die Anzahl der Feldwicklungen 3, 4 und 5, also in diesem Ausführungsbeispiel durch drei, geteilt, und es werden drei aufeinanderfolgende, alle die Länge T besitzende Impulssignale c, d und e an jeweils einen Ausgang 10, 11 bzw. 12 des Mikrocomputers gegeben. Diese drei Signale stellen die Stromflußsignale für jeweils eine der Feldwicklungen 3, 4 und 5 dar, die über je einen der Transistor-Leistungsschalter 13, 14 und 15 an die betreffende Feldwicklung gelangen.

Wie Fig. 2 zeigt, besteht jedes der Stromflußsignale c,d und e aus mehreren Einzelimpulsen c', d¹ bzw. e¹. Diese Unterteilung der Stromflußsignale dient der Begrenzung des Anlaufstroms der Synchronmaschine 1 zum Schutz der Transistoren in den Leistungsschaltern 13, 14 und 15. Der Strom in den Feldspulen 3, 4 und

steigt infolge der in ihrer Größe bekannten Induktivität derselben nach einer Exponentialfunktion an, und nach einer vom Mikroprozessor 9 vorgegebenen Zeit werden die Stromflußsignale c, d und e in den Leistungsschaltern 13, 14 und 15 kurzzeitig unterbrochen, so daß der Strom einen vorgegebenen Grenzwert nicht übersteigt.

Dies bedeutet aber nicht, daß in den Zwischenpausen zwischen den einzelnen Impulsen c¹, d¹ bzw. e' die entsprechende Feldwicklung stromlos ist. Wie Fig. 1 zeigt, sind alle Feldwicklungen an die Fahrzeugbatterie 16 über jeweils eine parallel zur Batterie liegende Reihenschaltung von zwei Gleichrichterdioden 17, 18-bzw. 19, 20 bzw. 21, 22 angeschlossen. Diese Gleichrichteranordnungen übernehmen nach jedem Sperren des jeweiligen Leistungsschalters 13, 1 h bzw. 15 die Lenzschen Ströme der Feldwicklungen 3, Ψ und 5. Außerdem bedampfen diese Gleichrichteranordnungen beim Abschalten der Transistoren in den Leistungsschaltern auftretende Spannungsspitzen. Dient schließlich die Synchronmaschine 1 zugleich als Lichtmaschine des Fahrzeugs, also als Generator -zur Auswahl zwischen Generator- und Motorbetrieb ist das Umschaltrelais 23 vorgesehen-, so wirken die Dioden 17 bis 22 als echte Gleichrichter. Diese Dioden erfüllen also insgesamt drei verschiedene Aufgaben.

Der Mikrocomputer sorgt dafür, daß die drei Stromflußsignale c, d und e in ihrer Gesamtlänge etwas kürzer sind als die Polteilungszeit a _t· Insbesondere enthält der Mikrocomputer 9 einen Taktimpulzähler üblicher Bauart für die in Fig. 2 mit b bezeichneten Taktimpulse, der bei Erreichen einer Taktimpulszahl, die mehreren Umdrehungen des Läufers 2 entspricht, also beispielsweise nach Erreichen seiner Endkapazität, einen Befehl für die Überprüfung der in Fig. 2 mit T bezeichneten Verzögerungszeit der Lieferung des ersten Stromflußsignals c an eine ebenfalls im Mikrocomputer 9 enthaltene Vergleichseinrichtung liefert. Dadurch ist sichergestellt, daß eine erneute Überprüfung dieser Verzögerungszeit T erst nach Ablauf einer Zeitspanne erfolgt, in der eine nennenswerte Drehzahländerung aufgetreten sein kann.

Der genannten Vergleichseinrichtung, die einen absolut üblichen Aufbau besitzt und daher im einzelnen nicht dargestellt ist, werden nun Signale zugeführt, die

den Drehzahländerungen /j η in der Zeitspanne zwischen Beginn und Ende des vom Taktimpulszähler vorgenommenen Zählvorgangs zugeführt. Während dieser Zeitspanne bleibt also die Verzögerungszeit T konstant, und nach Ablauf des Zählvorgangs, also beispielsweise im Zeitpunkt ti (siehe Fig. 2), nimmt die Vergleichseinrichtung einen Vergleich dieser Drehzahländerung 4 η mit derjenigen, in der Zwischenzeit gespeicherten Drehzahländerung vor, die sich während des davorliegenden Zählvorgangs ergeben hat. Als Kriterium dafür, ob eine Änderung der Verzögerungszeit T vorgenommen werden muß und wenn ja, in welcher Richtung, wird dann die Änderung der Drehzahländerung, also gleichsam eine Beschleunigung während des letzten Zählvorgangs bezüglich des davorliegenden Zähivorgangs, benutzt. Die Vergleichseinrichtung kann also beispielsweise feststellen, daß die zuletzt vorgenommene Änderung von T einem erwünschten Drehzahlanstieg entgegengewirkt hat; dann muß diese Änderung wieder rückgängig gemacht bzw. durch eine entgegengerichtete Änderung von T ersetzt werden. Die Vergleichseinrichtung kann aber auch feststellen, daß sich die vorgenommene Änderung von T sehr günstig ausgewirkt hat; dann wird kein Änderungsbefehl für T erzeugt. Schließlich ist es möglich, daß die vorgenommene Änderung von T nur in geringem Maße eine positive Wirkung gezeigt hat; dann wird die Vergleichseinrichtung eine zusätzliche Änderung in demselben Sinne bewirken. Es handelt sich also um eine Beschleunigungsregelung.

In dem gezeigten Ausführungsbeispiel wird dem Mikrocomputer 9 ein Steuersignal s dann aufgeschaltet, wenn normaler Betrieb der zugehörigen Brennkraftmaschine vorliegt, diese also im Augenblick nicht durch die Synchronmaschine 1 beschleunigt (gestartet) zu werden braucht. Damit jederzeit bei etwa erfolgender Abschaltung der Brennkraftmaschine und demgemäß Notwendigwerden eines erneuten Startens derselben das Schwungrad eine vorgegebene konstante Mindestdrehzahl besitzt, genügt es jetzt, wenn der Mikrocomputer 9 erheblich kürzere Stromflußsignale an die einzelnen Feldwicklungenn 3, Ψ und 5 liefert. Die Steuersignale s bewirken eine entsprechende Umschaltung im Mikrocomputer. Beispielsweise kann diese Umschaltung eine Halbierung der Stromflußwinkel gegenüber ihren Werten während des Hochlaufs (etwas weniger als 120° bei drei Feldwicklungen) zur Folge haben.

Claims

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VOLKSWAGENWERK

AKTIENGESELLSCHAFT

3180 Wolfsburg

K 3102/1702-pt-hu-sa 3 ^ ^

PATENTANSPRÜCHE

/ 1. Schaltungsanordnung zur Erzeugung eines Drehfelds für die Feldwicklungen einer kontaktlosen Drehstrom-Synchronmaschine, die als Antriebsmaschine für ein-Schwungrad dient, das mit einer ein Fahrzeug antreibenden Brennkraftmaschine als Schwungradstarter kuppelbar ist, wobei die Synchronmaschine einen starr mit ortsfesten Teilen der Brennkraftmaschine verbundenen, die Feldwicklungen und zumindest eine gleichstromgespeiste Erregerwicklung tragenden Ständer sowie einen wicklungsfreien, gezahnten Läufer aufweist, der starr mit dem Schwungrad verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß mittels eines ortsfest nahe der Bewegungsbahn der Zähne (7) des Läufers (2) angeordneten Eisenkreis-Sensors (8) erzeugte Impulssignale (i) für die durch die Längen und Abstände der Zähne (7) definierte Polteilungszeit (aJ des Läufers (2) einer Teilerschaltung zugeführt werden, die aus den Impulssignalen (i) während jeder Polteiiungszeit (α ) eine der Zahl der Feldwicklungen (3,4,5) entsprechende Zahl gleichlange, aufeinanderfolgende und in ihrer resultierenden Dauer die Polteilungszeit (cc ) nicht überschreitende Stromflußsignale (c,d,e) für die einzelnen Feldwicklungen (3,4,5) ableitet, und daß die Teilerschaltung mit einer Verzögerungsschaltung zur Gewinnung einer für die jeweilige Betriebsweise der Synchronmaschine (1) optimalen Verzögerungszeit (T ) zwischen dem Beginn der jeweiligen Polteilungszeit (α ) und den Stromflußsignalen (c,d,e) verbunden ist.

Vorsitzender Vorstand: Toni Scfimüdter, Vorsitzender · Claus Bergward · Karl-Heinz Briam · Prof. Dr. techn. Ernst Fiala · Dr. jur. Peter Frerk

des Aufsichtsrals: Dr.jur.Woltgsng R.Hebbel · Günter Hanwicfi · Horst Münzner · Dr.-e-.pol.We'ner P.Schmidt · Prof. Dr. rer. pol. Friedrich Thomee Karl Gustaf Rat.en ° Sitz der Gesellschaft: Wolfsburg Amisgericht Wolfsburg HRB 21S
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Teilerschaltung und Verzögerungsschaltung durch einen Mikrocomputer (9) gebildet sind mit einem Timer zur Ermittlung der in die jeweilige Polteilungszeit (or ) fallenden Taktimpulszahl (z) und Teilung derselben entsprechend der Zahl der Feldwicklungen (3,4,5) und mit einer Vergleichseinrichtung zur Gewinnung der Verzögerungszeit (T ).
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Mikrocomputer (9) eine der Zahl der Feldwicklungen (3,4,5) entsprechende Zahl Ausgänge (10,11,12) besitzt, von denen jeder die Stromflußsignale (c,d,e) nur für

» eine der Feldwicklungen (3,4,5) führt und die mit der jeweiligen Feldwicklung (3,4,5) über elektronische Leistungsschalter (13,14,15) verbindbar sind.
4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistungsschalter (13,14,15) eine die Induktivität der Feldwicklungen (3,4,5) berücksichtigende Anlaufstrombegrenzung durch Unterteilung der Stromflußsignale (c,d,e) in Impulse (c',d^f,e') enthalten.
5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Feldwicklungen (3,4,5) und damit die Ausgänge der Leistungsschalter (13,14,15) an eine Batterie (16) über jeweils eine Gleichrichteranordnung, bestehend aus der parallel zur Batterie (16) liegenden Reihenschaltung von zwei Gleichrichtern (17,18$19,20;21,22) mit Mittelanschluß der jeweiligen Feldwicklung (3,4,5), angeschlossen sind.
6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Mikrocomputer (9) einen Umschalter zum Verkürzen der Stromflußsignale (c,d,e) auf einen das Halten einer unteren konstanten Drehzahl des Schwungrads sichernden Wert enthält.
7. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Mikrocomputer (9) einen Taktimpulszähler enthält, der bei Erreichen einer Taktimpulszahl, die mehreren Umdrehungen des Schwungrads ent-

spricht, einen Befehl für die Überprüfung der jeweiligen Verzögerungszeit (T ) an die Vergleichseinrichtung liefert.
8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergleichseinrichtung die bei den letzten beiden Einstellungen erfolgten Drehzahländerungen (^/n) vergleicht und die Differenz dieser Drehzahländerungen (/in) als Kriterium für Beibehalten oder Ändern der Verzögerungszeit (T ) auswertet.