DE69515519T2

DE69515519T2 - Apparat und verfahren zum starten einer synchronmaschine

Info

Publication number: DE69515519T2
Application number: DE69515519T
Authority: DE
Inventors: Pierre Couture; Bruno Francoeur; Ghislain Lambert
Original assignee: Hydro Quebec
Current assignee: Hydro Quebec
Priority date: 1994-12-28
Filing date: 1995-12-05
Publication date: 2000-10-12
Anticipated expiration: 2015-12-06
Also published as: KR100381071B1; TW278272B; CA2208182C; US5537020A; KR100424514B1; TR199501703A2; AU3976895A; ATE190443T1; EP0800718A1; BR9510371A; DE69515519D1; KR20020095470A; CA2208182A1; AR000499A1; MX9704859A; EP0800718B1; JPH10511537A; WO1996020528A1; EP0889580A2; EP0889580A3

Description

Gebiet der Erfindung:

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ingangsetzen einer Wechselstrommaschine mit einem Rotor und einem mit Wicklungen versehenen Stator.

Stand der Technik:

Im Stand der Technik ist die europäische Patentanmeldung Nr. EP-A-0 571 076 bekannt, in der ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ingangsetzen einer bürstenlosen Gleichstrommaschine beschrieben werden. Das angewandte Verfahren ist folgendes. Während einer ersten Zeit wird an dem Motor ein elektrischer Vektor angelegt, wobei die Phase dieses Vektors inkrementiert wird, bis er den vorgegebenen Wert (+Δf) erreicht. Die letzte Stellung (C&sub1;) der Versetzung des Rotors wird vermerkt. Während einer zweiten Zeit wird an den Motor ein elektrischer Vektor angelegt, wobei die Phase dieses Vektors dekrementiert wird, bis sie den vorgegebenen Wert (-Δf) erreicht. Die letzte Stellung (C&sub2;) der Versetzung des Rotors wird vermerkt. Aus diesen beiden Versetzungen C&sub1; und C&sub2; wird der Mittelwert gebildet, um den Anfangswert der Stellung, der der Überlagerung des Magnetpolvektors φ und der magnetomotorischen Kraft I entspricht, zu erhalten.
Dieses Verfahren zum Ingangsetzen eines Motors besitzt aufgrund der Tatsache, daß vor dem Ingangsetzen der Rotor in zufälliger Weise durch zweimaliges Hochfahren versetzt werden muß, einen großen Nachteil. Insbesondere stellt dies in dem Fall, in dem der Motor mit einer schweren Last verbunden ist und es nicht möglich ist, eine zufällige Bewegung des Rotors vor seinem Ingangsetzen zuzulassen, ein Problem dar.
Im Stand der Technik ist außerdem das amerikanische Patent Nr. US-A-5.323.094 bekannt, in dem ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ingangsetzen einer bürstenlosen Gleichstrommaschine ohne Positionssensor beschrieben werden. Das angewandte Verfahren besteht darin, den Rotor des Motors in eine gewünschte Richtung zu drehen, indem eine Ingangsetzungssequenz vorgenommen wird, während der wenigstens zwei der drei Phasen des Stators erregt werden, so daß sie ein Magnetfeld erzeugen.
Wie im Fall der europäischen Patentanmeldung Nr. EP-A-0 571 076 besitzt dieses Verfahren zum Ingangsetzen eines Motors aufgrund der Tatsache, daß der Rotor vor dem Ingangsetzen in zufälliger Weise versetzt werden muß, einen großen Nachteil. Insbesondere stellt dies in dem Fall, in dem der Motor mit einer schweren Last verbunden ist und es nicht möglich ist, eine zufällige Bewegung des Rotors vor seinem Ingangsetzen zuzulassen, ein Problem dar.
Im Stand der Technik ist das amerikanische Patent Nr. 5.221.881 von Scott W. CAMERON bekannt, in dem eine Schaltung zum Betrieb eines mehrphasigen Gleichstrommotors beschrieben wird. In den Zeilen 52 bis 60 der ersten Spalte wird beispielsweise erwähnt, daß der Motor nach weitverbreiteter Weise in eine Stellung hochgefahren wird und anschließend eine Information in bezug auf die momentane Stellung des Motors erzeugt wird. Eine Art, eine solche Information in bezug auf die momentane Stellung des Motors zu erzeugen, wurde unter Anwendung des Verfahrens der Umschaltung des Motors entwickelt und erfordert die Identifikation der Sondenspule und die Messung der gegenelektromotorischen. Kraft, die der in der Spule induzierten gegenelektromotorischen Kraft entspricht, wenn diese sich durch das von dem Stator erzeugten Magnetfeld bewegt. Dieses Verfahren zum Ingangsetzen eines Motors besitzt aufgrund dessen, daß die Stellung des Rotors zum Zeitpunkt des Ingangsetzens bekannt sein muß, einen Nachteil. Zur Erfassung dieser Stellung des Rotors zum Zeitpunkt des Ingangsetzens muß dieser in bezug auf den Stator um ein größeres Maß versetzt werden, damit die gegenelektromotorische Kraft gemessen werden kann. Insbesondere stellt dies in dem Fall, in dem der Motor mit einer schweren Last verbunden ist und es nicht möglich ist, eine große zufällige Bewegung des Rotors während seines Ingangsetzens zuzulassen, ein Problem.
Im Stand der Technik ist außerdem das amerikanische Patent Nr. 4.814.677 von Allan B. PLUNKETT bekannt, in dem eine Schaltung zur Steuerung der Orientierung des Feldes eine Motors mit einem Permanentmagneten beschrieben wird. In den Zeilen 22 bis 29 der Spalte 7 dieses Patents wird erwähnt, daß die Stromamplitude Ia hinreichend groß ist, um eine Versetzung des Rotors in seine natürliche Ausrichtung hervorzurufen, wenn das Magnetfeld des Stators angelegt wird. Nachdem der Strom Ia für eine Zeitdauer, die zur Ausrichtung des Rotors ausreicht, zugeführt wurde, wird ein Wandler 37 versorgt, um einen Strom in Form einer Rampe in Richtung einer Achse β zu erzeugen, der im Eisenspalt eine Erregerwelle mit magnetomotorischer Rotationskraft erzeugt, die ein Moment erzeugt, das eine Drehung des Rotors bewirkt. Wiederum besteht der Nachteil bei diesem Verfahren darin, daß es, wenn der Rotor an eine schwere Last geschaltet ist, es in bestimmten Fällen nicht möglich ist, während des Ingangsetzens des Motors eine große zufällige Bewegung des Rotors zuzulassen.
Ferner werden im amerikanischen Patent Nr. 4.748.387 von Jiro TANUMA u. a. eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Steuerung der Startstellung des Rotors eines Gleichstrommotors ohne Kollektor beschrieben. In den Zeilen 4 bis 115 der dritten Spalte wird erwähnt, daß das Verfahren Schritte enthält, in denen zum Zeitpunkt des Ingangsetzens des Motors eine Umschaltung des den Ankerspulen zugeführten Stroms vorgenommen wird, um diese in mehrere verschiedene Phasen zu erregen, um den Rotor in bezug auf eine Startwinkelstellung zu lokalisieren. Um die Möglichkeit zu berücksichtigen, daß der Rotor in der Startwinkelstellung positioniert ist,; wird die mit dem Rotor verbundene Last abgenommen, wenigstens solange die letzte Phase noch nicht erregt ist, und anschließend die drehende Antriebskraft kontrolliert, im dem die Ausgangsimpulse des Meßmittels für die Geschwindigkeit gezählt werden, um so die Winkelstellung des Rotors zu erfassen. Die Drehrichtung des Rotors wird anhand der Ausgangsimpulse des Meßmittels für die Geschwindigkeit und anhand des endgültigen Zählwerts dieser Ausgangsimpulse kontrolliert. Wiederum besteht der Nachteil bei diesem Verfahren zum Ingangsetzen eines Motors darin, daß die mit dem Rotor verbundene Last während des Ingangsetzungsvorgangs abgenommen werden muß. Dieses Verfahren ermöglicht keine Ingangsetzung des Motors bei einer mit dem Motor verbundenen Last.
Im Stand der Technik sind außerdem die folgenden Dokumente bekannt:
4.368.411 KIDD
4.409.530 NEEPER u. a.
4.429.262 UTENICK
4.546.293 PETERSON U. A.
4.712.050 NAGASAWA u. a.
5.162.709 OHI
5.194.794 SHAMOTO
5.204.604 RADUN
5.221.880 BARTHOLOW u. a.
Keines dieser Patente bietet in dem Fall, in dem der Motor an eine schwere Last geschaltet ist und keinerlei große zufällige Bewegung des Motors erlaubt ist, ein Verfahren zur Ingangsetzung an.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ingangsetzen einer Wechselstrommaschine mit einem Rotor und einem Stator, der mit Wicklungen versehen ist, auch in dem Fall, in dem der Motor an eine schwere Last geschaltet ist, vorzuschlagen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ingangsetzen einer synchronen Maschine mit einem Rotor und einem mit Wicklungen versehenen Stator vorgeschlagen, wobei der Rotor in bezug auf den Stator eine Anfangsposition besitzt, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt: (a) Initialisieren einer Ingangsetzungsphase einer ersten Vektorsumme aus aufeinanderfolgenden Vektorsummen von Strömen, die dazu bestimmt sind, an die Wicklungen angelegt zu werden; (b) Anlegen der aufeinanderfolgenden Vektorsummen von Strömen an die Wicklungen, wobei jede der aufeinanderfolgenden Vektorsummen eine Phase besitzt; (c) für jede der Vektorsummen von im Schritt (b) angelegten Strömen Erfassen einer Bewegung des Rotors sowie einer Richtung dieser Bewegung in bezug auf den Stator, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, daß es außerdem die folgenden Schritte enthält:
(d) für jede Bewegung und jede Richtung, die im Schritt (c) erfaßt werden, Kompensieren der Phase PVE einer Vektorsumme, die den aufeinanderfolgenden Vektorsummen von an die Wicklungen angelegten Strömen nachfolgt, um den Rotor in seine Anfangsposition zurückzustellen;
(e) Erfassen, ob sich der Rotor in bezug auf den Stator bewegt hat, nachdem die aufeinanderfolgenden Vektorsummen von Strömen im Schritt (b) angelegt worden sind, und entweder Erhöhen der Ingangsetzungsphase um einen unterschiedlichen Wert eines Vielfachen von 180 elektrischen Grad, falls sich der Rotor in bezug auf den Stator nicht bewegt hat, und Zurückkehren zum Schritt (b), oder Weitergehen zum Schritt (f); und
(f) Speichern des Wertes der Phase der letzten der aufeinanderfolgenden Vektorsummen, die an die Wicklungen angelegt werden, so daß die Maschine nun bereit ist, anhand des im Schritt (f) gespeicherten Phasenwertes in Betrieb gesetzt zu werden.
Ferner ist gemäß der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung zum Ingangsetzen einer synchronen Maschine mit einem Rotor und einem mit Wicklungen versehenen Stator vorgesehen, wobei der Rotor eine Anfangsposition in bezug auf den Stator besitzt, wobei die Vorrichtung Mittel zum Initialisieren einer Ingangsetzungsphase einer ersten Vektorsumme aus aufeinanderfolgenden Vektorsummen von Strömen, die an die Wicklungen angelegt werden sollen, Mittel zum Anlegen von aufeinanderfolgenden Vektorsummen von Strömen an die Wicklungen, wobei jede der aufeinanderfolgenden Vektorsummen eine Phase besitzt, sowie Mittel umfaßt, die für jede der angelegten Vektorsummen von Strömen eine Bewegung des Rotors sowie eine Richtung dieser Bewegung in bezug auf den Stator erfassen, wobei die Vorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, daß sie außerdem:
Mittel, die für jede. Bewegung und jede Richtung, die erfaßt worden sind, die Phase einer nachfolgenden Vektorsumme aus aufeinanderfolgenden Vektorsummen von durch die Wicklungen geschickten Strömen kompensieren, um den Rotor in seine Anfangsposition zurückzustellen;
Mittel zum Erhöhen der Ingangsetzungsphase um einen unterschiedlichen Wert eines Vielfachen von 180 elektrischen Grad, falls sich der Rotor nach dem Anlegen der aufeinanderfolgenden Vektorsummen von Strömen in bezug aufi den Stator nicht bewegt hat; und
Mittel zum Speichern eines Phasenwertes der letzten der an der Rotar angelegten aufeinanderfolgenden Vektorphasen, so daß die Maschine nun bereit ist, anhand des von den Speichermitteln gespeicherten Phasenwertes in Betrieb gesetzt zu werden, umfaßt.
Die Aufgaben, die Vorteile und weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung werden deutlicher beim Lesen der folgenden nicht beschränkenden Beschreibung der in der beigefügten Zeichnung gezeigten bevorzugten Ausführungsformen.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist ein Blockschaltbild, das eine Vorrichtung zum Ingangsetzen einer synchronen Maschine gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
Fig. 2 ist ein weiteres Blockschaltbild, das eine synchrone Maschine gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
Die Fig. 3A und 3B zeigen einen Algorithmus, der ein Verfahren zum Ingangsetzen einer synchronen Maschine gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt.
Die Fig. 5A, 5B und 5C zeigen ein Blockschaltbild, das ein in Fig. 1 gezeigtes Element genauer zeigt.
Fig. 6 ist ein Schaltungsplan, das einen Teil eines in Fig. 1 gezeigten Elementes näher zeigt, und
Fig. 7 ist eine teilweise Schnittansicht einer synchronen Maschine.

Genaue Beschreibung der Zeichnung

Zunächst ist in Fig. 1 eine Vorrichtung zum Ingangsetzen einer Synchronmaschine 2 mit einem Rotor (nicht gezeigt) und einem Stator (nicht gezeigt), der mit Wicklungen (nicht gezeigt) versehen ist, gezeigt. Der Rotor und der mit Wicklungen versehene Stator werden in Fig. 7 gezeigt. Eine solche Synchronmaschine mit einem Rotor und einem mit Wicklungen versehenen Stator ist im Stand der Technik wohlbekannt. Der Rotor besitzt eine unbekannte Anfangsposition in bezug auf den Stator.
Beispielsweise ist die Synchronmaschine ein Antriebsmotor eines Elektrofahrzeuges wie etwa jenes, das in dem amerikanischen Patent Nr. 5.327.034 gezeigt wird. Wie leicht zu verstehen ist, ist während des Ingangsetzens aus Sicherheitsgründen Reine große zufällige Bewegung des Fahrzeugs zugelassen.
Die Vorrichtung enthält Mittel 6 zum Initialisieren einer Ingangsetzungsphase einer ersten Vektorsumme aus aufeinanderfolgenden Vektorsummen von Strömen, die dazu bestimmt sind, an die Wicklungen des Stators mit Hilfe von Versorgungsleitungen 4 angelegt zu werden, und Mittel 6, 8, 10 und 12 zum Anlegen von aufeinanderfolgenden Vektorsummen von Strömen an die Wicklungen. Jede der aufeinanderfolgenden Vektorsummen besitzt eine gegebene Phase.
Die Vorrichtung enthält außerdem Mittel 14 und 16 zum Erfassen einer Bewegung des Rotors der Maschine 2 sowie der Richtung dieser Bewegung in bezug auf den Stator für jede der an die Ströme angelegten Vektorsummen, Mittel 6 zum Kompensieren der Phase einer Vektorsumme, die den aufeinanderfolgenden Vektorsummen von an die Wicklungen der Maschine 2 angelegten Strömen nachfolgt, für jede Bewegung und jede Richtung die erfaßt wurden, um den Rotor in seine Anfangsposition zurückzustellen, und Mittel 6 zum Erhöhen der Ingangsetzungsphase um einen unterschiedlichen Wert eines Vielfachen von 180 elektrischen Grad, falls sich der Rotor der Maschine 2 nach dem Anlegen der aufeinanderfolgenden Vektorsummen von Strömen in bezug auf den Stator nicht bewegt hat.
Die Vorrichtung enthält außerdem Mittel 6 zum Speichern des Wertes der Phase der letzten der an den Rotor der Maschine 2 angelegten aufeinanderfolgenden Vektorsummen. Somit ist die Maschine 2 ausgehend vom Wert der in den Speichermitteln 6 gespeicherten Phase zur Inbetriebnahme bereit.
Die Mittel 14 und 16 zum Erfassen der Bewegung des Rotors der Maschine 2 sowie der Richtung dieser Bewegung in bezug auf den Stator enthalten einen bidirektionalen Zähler 16 und einen Inkrement-Codierer 14. Der Inkrement- Codierer 14 besitzt einen Eingang 18, der mit dem Rotor der Maschine 2 verbunden ist, und einen Ausgang 20, der mit einem Eingang 22 des bidirektionalen Zählers 16 verbunden ist, der seinerseits einen Ausgang 36 besitzt, der an den Eingang 37 der Steuereinheit 6 geschaltet ist.
Vorzugsweise muß in dem Fall, in dem die Maschine ein Nabenmotor eines Fahrzeugs ist und keinerlei große zufällige Bewegung des Fahrzeugs zugelassen ist, die Auflösung des Inkrement-Codierers 14 so gewählt werden, daß sie ausreichend hoch ist, um selbst dann, wenn der Nabenmotor durch ein Mittel zum Bremsen blockiert ist, eine sehr kleine Bewegung des Rotors erfassen und kompensieren zu können.
Die Mittel zum Initialisieren, die Mittel zum Erhöhen, die Mittel zum Speichern und die Mittel zum Kompensieren sind alle Teil der Steuereinheit 6, die mit einem Eingang 39 versehen ist, um einen Befehl zu empfangen. Die Steuereinheit 6 ist eine digitale Signalverarbeitungseinheit TM320C30, die mit einer Betriebssoftware versehen ist.
Die Mittel zum Anlegen 6, 8, 10 und 12 enthalten eine mit einer Betriebssoftware versehene Steuereinheit 6, einen Stromdetektor 8 mit Eingängen 24 zum Erfassen der an die Wicklungen der Maschine 2 angelegten Ströme und einen digitalen Ausgang 26, der an einen Eingang 27 der Steuereinheit 6 geschaltet ist, einen Wandler 10 mit Ausgängen 28 zum Anlegen der aufeinanderfolgenden Vektorsummen von Strömen an die Wicklungen der Maschine 2 mittels Versorgungsleitungen 4, einem Eingang 11 zum Empfangen einer Versorgungsspannung und einem Eingang 30 zum Empfangen der Steuersignale von einem Ausgang 29 der Steuereinheit 6 und einen Spannungsdetektor 12 mit einem Eingang 32 zum Messen einer an dem Wandler 10 anliegenden Versorgungsspannung Vdc und einem an einen Eingang 35 der Steuereinheit 6 geschalteten digitalen Ausgang 34.
In Fig. 3 wird nun ein Verfahren zum Ingangsetzen einer Synchronmaschine 2 mit einem Rotor und einem mit Wicklungen versehenen Stator gezeigt. Das Verfahren kann durch die obenbeschriebene Vorrichtung umgesetzt werden. Der Rotor besitzt in bezug auf den Stator eine Anfangsposition.
Das Verfahren umfaßt den folgenden ersten Schritt (a) der Initialisierung einer Ingangsetzungsphase einer ersten Vektorsumme aus aufeinanderfolgenden Vektorsummen von Strömen, die dazu bestimmt sind, an die Wicklungen der Maschine 2 angelegt zu werden.
Vorzugsweise umfaßt der Schritt (a) die folgenden Schritte: (i) Bestimmen einer willkürlichen Position des Rotors und deren Speicherung in einer Variablen MEMCNT; (ii) Speichern des Wertes 0 in einer Variablen INT, die den integrierten Fehler der Phase repräsentiert; (iii) Speichern des Wertes 0 in einer Variablen AVE, die eine Amplitude repräsentiert; (iv) Erhöhen der Variablen AVE um einen Wert inc, der beispielsweise den Wert 0,02 besitzt; (v) Prüfen, ob die Variable AVE größer als eine Konstante AVEmax ist, die beispielsweise den Wert 200 besitzt, wobei diese Bedingung während des Initialisierungsschrittes (a) sicherlich nicht erfüllt ist; (vi) erneutes Erfassen der Position des Rotors und Speichern dieser Position in einer Variablen CNT, die hier denselben Wert wie die Variable MEMCNT besitzt, weil sich der Rotor nicht bewegt hat; (vii) Berechnen eines integrierten Fehlers mit Hilfe der folgenden Gleichung: INT = K · (CNT - MEMCNT) + INT, wobei K eine Konstante ist und beispielsweise den Wert -0,02 besitzt, wobei der Wert von INT gleich bleibt, weil hier CNT gleich MEMCNT ist; (viii) Speichern der Summe aus CNT und INT in der Variablen PVE, die die Phase der ersten Vektorsumme von aufeinanderfolgenden Vektorsummen von Strömen repräsentiert; (ix) Erfassen der an den Wandler angelegten Spannung und Speichern des Wertes dieser Spannung in einer Variablen Vdc; (x) Erfassen der drei an die Maschine 2 angelegten Ströme und Speichern der Werte dieser drei Ströme in den Variablen Ia, Ib und Ic, die in diesem Stadium im Initialisierungsschritt den Wert 0 besitzen; und (xi) Berechnen der Werte PWMa, PWMb und PWMc anhand der Werte von PVE, AVE, Vdc, Ia, Ib und Ic. Die Ingangsetzungsphase der ersten Vektorsumme aus aufeinanderfolgenden Vektorsummen von Strömen ist nun initialisiert.
Das Verfahren umfaßt außerdem den folgenden Schritt (b) des Anlegens der aufeinanderfolgenden Vektorsummen von Strömen an die Wicklungen, wobei jede der aufeinanderfolgenden Vektorsummen eine Phase besitzt.
Vorzugsweise umfaßt dieser Schritt (b) die folgenden Schritte des (xii) Erzeugens eines Steuersignals Cmd für den in Fig. 1 mit der Ziffer 10 bezeichneten Wandler, das sich aus den Werten PWMa, PWMb und PWMc ergibt, der Rückkehr zum Schritt (iv) und des Wiederholens der Schritte (iv) bis (xii), bis die Bedingung des Schritts (v) erfüllt ist.
Genauer umfaßt der Schritt (b) die folgenden Schritte: (iv) Bestimmen eines Amplitudenwertes, der um eine nachfolgende Vektorsumme aus den aufeinanderfolgenden Vektorsummen von Strömen, die an die Wicklungen angelegt werden sollen, erhöht ist, für jede der aufeinanderfolgenden Vektorsummen von an die Wicklungen angelegten Strömen und (v) Bestimmen, ob der um die nachfolgende Vektorsumme erhöhte Amplitudenwert einen vorgegebenen Amplitudenwert erreicht hat und entweder Beenden des Anlegens aufeinanderfolgender Summen von Strömen des Schrittes (b) und Gehen zum Schritt (e), falls der um die nachfolgende Vektorsumme erhöhte Amplitudenwert den vorgegebenen Amplitudenwert erreicht hat, oder weiterhin Anlegen der aufeinanderfolgenden Vektorsummen des Schrittes (b).
Vorzugsweise wird im Schritt (b) jede der aufeinanderfolgenden Vektorsummen von Strömen mittels breitenmodulierter Impulssignale an die Wicklungen angelegt.
Das Verfahren umfaßt außerdem den folgenden Schritt (c) des Erfassens einer Bewegung des Rotors der Maschine 2 sowie der Richtung dieser Bewegung in bezug auf den Stator für jede der im Schritt (b) angelegten Vektorsummen von Strömen. Vorzugsweise wird dieser Schritt durch die obenbeschriebenen Schritte (vi), (vii) und (viii) umgesetzt.
Das Verfahren umfaßt außerdem den folgenden Schritt (d) des Kompensierens der Phase einer Vektorsumme, die den aufeinanderfolgenden Vektorsummen von an die Wicklungen angelegten Ströme nachfolgt, für jede Bewegung und jede Richtung, die im Schritt (c) erfaßt wurden, um den Rotor in seiner Anfangsposition zurückzustellen. Vorzugsweise wird dieser Schritt in dem obenbeschriebenen Schritt (xi) umgesetzt, in dem die Werte PWMa, PWMb und PWMc in einer Weise berechnet werden, die den letzten integrierten und berechneten Fehler INT, durch den die Kompensation verwirklicht wird, berücksichtigt.
Vorzugsweise wird im Schritt (d) die Phase einer Vektorsumme, die den aufeinanderfolgenden Vektorsummen von an die Wicklungen angelegten Strömen nachfolgt, mit Hilfe der folgenden Gleichungen: PVE = INT + CNT und INT = K · MOV + INT1 kompensiert, wobei PVE die Phase einer Vektorsumme ist, die den aufeinanderfolgenden Vektorsummen von Strömen nachfolgt, INT1 der integrierte Fehler des letzten integrierten und berechneten Fehlers ist, INT der integrierte Fehler ist, MOV gleich (CNT - MEMCNT) ist, das die Bewegung und die Richtung dieser Bewegung wiedergibt, die im Schritt (c) in bezug auf die Anfangsposition erfaßt wurden, CNT ein Wert ist, der die Position des Rotors repräsentiert, und K eine vorgegebene Konstante ist.
Das Verfahren umfaßt ebenso den folgenden Schritt (e) des Erfassens, ob sich der Rotor in bezug auf den Stator bewegt hat, nachdem die aufeinanderfolgenden Vektorsummen von Strömen angelegt worden sind, um somit entweder die Ingangsetzungsphase um einen von einem Vielfachen von 180 elektrischen Grad verschiedenen Wert, vorzugsweise 90 elektrische Grad, zu erhöhen, falls sich der Rotor in bezug auf den Stator nicht bewegt hat, und zum Schritt (b) zurückzukehren oder zum Schritt (f) weiterzugehen.
Vorzugsweise wird der Schritt (e) verwirklicht, sobald die Bedingung des Schrittes (v) als erfüllt betrachtet werden kann, und umfaßt den folgenden Schritt (xiii) des Prüfens, ob INT gleich 0 ist, was bedeutet, daß sich der Rotor nicht bewegt hat, wobei, falls diese Bedingung erfüllt ist, die zusätzlichen folgenden Schritte (xiv) des Speicherns des Wertes 90 Grad in der Variablen INT, (xv) des. Speicherns des Wertes 0 in der Variablen AVE und der Rückkehr zum Schritt (iv) verwirklicht werden.
Das Verfahren umfaßt außerdem den folgenden Schritt (f) des Speicherns des integrierten Fehlerwertes INT der letzten der an die Wicklungen angelegten aufeinanderfolgenden Vektorsummen in einer Variablen MPVE, falls die Bedingung des Schrittes (e) als nicht erfüllt betrachtet wurde, worauf die Maschine 2 bereit ist, anhand des im Schritt (f) gespeicherten integrierten Fehlerwertes in Betrieb genommen zu werden. Vorzugsweise umfaßt dieser Schritt (f) den folgenden Schritt (xvi) des Speicherns des Wertes der Variablen INT in einer Variablen MPVE, die dem Wert des Phasenfehlers entspricht, von dem ausgehend die Maschine bereit ist, in Betrieb genommen zu werden. Mit Bezug auf Fig. 2 sei angemerkt, daß der Inkrement-Codierer 14 einen zweiten Ausgang 40 zum Erzeugen eines Indexsignals 42 besitzt, und daß der bidirektionale Zähler 16 einen Lasteingang 44 zum Empfangen des Indexsignals besitzt. In dieser Weise wird das Indexsignal als Lastsignal zum Bestätigen der absoluten Position des Rotors in bezug auf den Stator verwendet, wenn der Synchronmotor in Betrieb ist.
In Fig. 5 wird eine bevorzugte Ausführungsform der Steuereinheit 6 zum Berechnen der in den Fig. 1 und 2 gezeigten Werte PWMa, PWMb und PWMc gezeigt. Die Werte des Steuerstroms Iac, Ibc und Icc werden anhand der über die Eingänge 37 und 39 erhaltenen Werte AVE und PVE berechnet. Die Werte der gegenelektromotorischen Kraft FEMa, FEMb und FEMc werden anhand der Werte PVE, θ und ψ berechnet, wobei ψ eine Konstante ist, die eine magnetomotorische Kraft repräsentiert. Die Fehlerwerte ERa, ERb und ERc werden anhand der Werte des Steuerstroms Iac, Ibc und Icc und der Werte des Stroms Ia, Ib und Ic berechnet. Die Werte von REa, REb und REc werden mit Hilfe eines PID-Algorithmus (Proportional-Integral-Differential-Algorithmus) berechnet, der die Werte von FEMa, FEMb und FEMc verwendet. Die Werte von PWMa, PWMb und PWMc werden anhand der Werte von Vdc, REa, REb und REc berechnet und an den Ausgang 29 angelegt.
In Fig. 6 wird eine bevorzugte Ausführungsform des in den Fig. 1 und 2 gezeigten Wandlers 10 gezeigt. Der Leistungswandler 10 wird verwendet, um der Synchronmaschine 2 (in den Fig. 1 und 2 gezeigt) über die Ausgänge 28 Ströme zuzuführen. Sechs IGBT-Leistungsunterbrecher 80 sind über den Eingang 11 an die Versorgung Vdc geschaltet. Die Leistungsunterbrecher haben Eingänge 81 zum Empfangen der Steuersignale, die von den Ausgängen der Gateansteuerungen 83 ausgehen. Diese Gateansteuerungen 83 besitzen Eingänge 78 zum Empfangen der Steuersignale PWMa, PWMb und PWMc über den Eingang 30. Zur Filterung der Versorgung Vdc ist an den Eingang 11 ein Leistungskondensator 82 geschaltet.
In Fig. 7 ist eine teilweise Schnittansicht der Synchronmaschine gezeigt. Die Phasenwicklungen A, B und C sind auf dem Stator 92 angebracht. Auf dem Rotor 93 sind Magnete 91 angebracht. Der Wert MPVE ist der Wert des Winkels α zwischen der Vektorposition 94 des Rotors 93 und der Vektorposition 95 des Stators 92. Die Mittel zum Erfassen der Bewegung des Rotors 93 sowie der Richtung dieser Bewegung in bezug auf den Stator 92 umfassen einen Codierring 97, der mit einem festen Codier-Lesekopf 98 zusammen wirkt.
Beispielhaft folgt ein komplettes Protokoll der zum Ingangsetzen einer Synchronmaschine verwendeten Software:
Obwohl die vorliegende Erfindung oben anhand bevorzugter Ausführungsformen erläutert wurde, muß präzisiert werden, daß jede Modifikation dieser bevorzugten Ausführungsformen im Rahmen der beigefügten Ansprüche so betrachtet wird, daß sie das Wesen und die Tragweite der vorliegenden Erfindung weder ändert noch verfälscht.

Claims

1. Verfahren zum Ingangsetzen einer synchronen Maschine (2) mit einem Rotor (93) und einem mit Wicklungen versehenen Stator (92), wobei der Rotor (93) in bezug auf den Stator (92) eine Anfangsposition besitzt, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt: (a) Initialisieren einer Ingangsetzungsphase einer ersten Vektorsumme aus aufeinanderfolgenden Vektorsummen von Strömen, die dazu bestimmt sind, an die Wicklungen angelegt zu werden; (b) Anlegen der aufeinanderfolgenden Vektorsummen von Strömen an die Wicklungen, wobei jede der aufeinanderfolgenden Vektorsummen eine Phase besitzt; (c) für jede der Vektorsummen von im Schritt (b) angelegten Strömen Erfassen einer Bewegung des Rotors (93) sowie einer Richtung dieser Bewegung in bezug auf den Stator (92), wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, daß es außerdem die folgenden Schritte enthält:

(d) für jede Bewegung und jede Richtung, die im Schritt (c) erfaßt werden, Kompensieren der Phase (PVE) einer Vektorsumme, die den aufeinanderfolgenden Vektorsummen von an die Wicklungen angelegten Strömen nachfolgt, um den Rotor (93) in seine Anfangsposition zurückzustellen;

(e) Erfassen, ob sich der Rotor (93) in bezug auf den Stator (92) bewegt hat, nachdem die aufeinanderfolgenden Vektorsummen von Strömen im Schritt (b) angelegt worden sind, und entweder Erhöhen der Ingangsetzungsphase um einen unterschiedlichen Wert eines Vielfachen von 180 elektrischen Grad, falls sich der Rotor in bezug auf den Stator (92) nicht bewegt hat, und Zurückkehren zum Schritt (b), oder Weitergehen zum Schritt (f); und

(f) Speichern des Wertes der Phase der letzten der aufeinanderfolgenden Vektorsummen, die an die Wicklungen angelegt werden, so daß die Maschine (2) nun bereit ist, anhand des im Schritt (f) gespeicherten Phasenwertes in Betrieb gesetzt zu werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Schritt (d) die Phase (PVE) mittels der folgenden Gleichungen berechnet wird:

INT = K · MOV + INT1

PVE = INT + CNT

wobei INT1 ein vorhergehender Fehler ist, der integriert und berechnet worden ist, INT ein momentaner integrierter und berechneter Fehler ist, MOV die Bewegung und die Richtung dieser Bewegung ist, die im Schritt (c) in bezug auf die Anfangsposition erfaßt worden sind, CNT eine Position des Rotors (93) darstellt und K eine vorgegebene Konstante ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Schritt (d) die Phase (PVE) mittels der folgenden Gleichungen berechnet wird:

INT = K · MOV + INT1

PVE = Kp · MOV + INT + CNT

wobei INT1 ein vorhergehender Fehler ist, der integriert und berechnet worden ist, INT ein momentaner integrierter und berechneter Fehler ist, MOV die Bewegung und die. Richtung dieser Bewegung ist, die im Schritt (c) in bezug auf die Anfangsposition erfaßt worden sind, CNT eine Position des Rotors (93) repräsentiert und K und Kp vorgegebene Konstanten sind.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt (b) die folgenden Schritte umfaßt:

(i) für jede der aufeinanderfolgenden Vektorsummen von an die Wicklungen angelegten Strömen Bestimmen eines Amplitudenwertes, der um eine nachfolgende Vektorsumme aus den aufeinanderfolgenden Vektorsummen von Strömen, die an die Wicklungen angelegt werden sollen, erhöht ist; und

(ii) Bestimmen, ob der um die nachfolgende Vektorsumme erhöhte Amplitudenwert einen vorgegebenen Amplitudenwert erreicht hat, und entweder Beenden des Anlegens aufeinanderfolgender Summen von Strömen des Schrittes (b) und Gehen zum Schritt (e), falls der um die nachfolgende Vektorsumme erhöhte Amplitudenwert den vorgegebenen Amplitudenwert erreicht hat, oder weiterhin Anlegen der aufeinanderfolgenden Vektorsummen des Schrittes (b).

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Schritt (b) jede der aufeinanderfolgenden Vektorsummen von Strömen mittels breitenmodulierter Impulssignale an die Wicklungen angelegt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Vektorsumme der aufeinanderfolgenden Vektorsummen von Strömen eine Amplitude mit Wert null und eine Phase mit Wert null besitzt.

7. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der erhöhte Amplitudenwert anhand der folgenden Gleichung bestimmt wird:

AV = AVE + 1

wobei AV der erhöhte Amplitudenwert ist, AVE ein Amplitudenwert einer vorhergehenden Summe aus aufeinanderfolgenden Vektorsummen von an die Wicklungen angelegten Strömen ist und I ein Wert einer Konstante ist.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Schritt (e) die Ingangsetzungsphase um einen Wert von 90 elektrischen Grad erhöht ist.

9. Vorrichtung zum Ingangsetzen einer synchronen Maschine (2) mit einem Rotor (93) und einem mit Wicklungen versehenen Stator (92), wobei der Rotor (93) eine Anfangsposition in bezug auf den Stator (92) besitzt, wobei die Vorrichtung Mittel (6) zum Initialisieren einer Ingangsetzungsphase einer ersten Vektorsumme aus aufeinanderfolgenden Vektorsummen von Strömen, die an die Wicklungen angelegt werden sollen, Mittel (6, 8, 10, 12) zum Anlegen von aufeinanderfolgenden Vektorsummen von Strömen an die Wicklungen, wobei jede der aufeinanderfolgenden Vektorsummen eine Phase besitzt, sowie Mittel (14, 16) umfaßt, die für jede der angelegten Vektorsummen von Strömen eine Bewegung des Rotors (93) sowie eine Richtung dieser Bewegung in bezug auf den Stator (92) erfassen, wobei die Vorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, daß sie außerdem:

Mittel (6), die für jede Bewegung und jede Richtung, die erfaßt worden sind, die Phase einer nachfolgenden Vektorsumme aus aufeinanderfolgenden Vektorsummen von durch die Wicklungen geschickten Strömen kompensieren, um den Rotor (93) in seine Anfangsposition zurückzustellen;

Mittel (6) zum Erhöhen der Ingangsetzungsphase um einen unterschiedlichen Wert eines Vielfachen von 180 elektrischen Grad, falls sich der Rotor (93) nach dem Anlegen der aufeinanderfolgenden Vektorsummen von Strömen en bezug auf den Stator (92) nicht bewegt hat; und

Mittel (6) zum Speichern eines Phasenwertes der letzten der an den Rotor (93) angelegten aufeinanderfolgenden Vektorphasen, so daß die Maschine (2) nun bereit ist, anhand des von den Speichermitteln (6) gespeicherten Phasenwertes in Betrieb gesetzt zu werden, umfaßt.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (14, 16) zum Erfassen der Bewegung des Rotors (93) und der Richtung dieser Bewegung in bezug auf den Stator (92) einen bidirektionalen Zähler (16) sowie einen Inkrement-Codierer (14), der einen mit dem Rotor (93) verbundenen Eingang (18) und einen an einen Eingang (92) des bidirektionalen Zählers (16) angeschalteten Ausgang (20) umfaßt, enthalten.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (6) zum Initialisieren, die Mittel (6) zum Erhöhen, die Mittel (6) zum Speichern und die Mittel (6) zum Kompensieren sämtlich einen Teil einer Steuereinheit (6) bilden, die mit einer Betriebssoftware versehen ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß

der Inkrement-Codierer (14) einen zweiten Ausgang (40) besitzt, um ein Indexsignal (42) zu erzeugen; und

der bidirektionale Zähler (16) einen Lasteingang (44) besitzt, um das Indexsignal (42) zu empfangen, so daß das Indexsignal (42) als ein Lastsignal verwendet wird, um die Absolutposition des Rotors (93) in bezug auf den Stator (92) zu bestätigen, wenn die synchrone Maschine (2) in Betrieb ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (6, 8, 10, 12) zum Anlegen

eine Steuereinheit (6), die mit einer Betriebssoftware versehen ist;

einen Stromdetektor (8), der Eingänge (24) zum Messen der an die Wicklungen angelegten Ströme sowie einen digitalen Ausgang (26) besitzt, der an einen Eingang (27) der Steuereinheit (6) angeschaltet ist;

einen Umsetzer (10) mit Ausgängen (28) zum Anlegen der aufeinanderfolgenden Vektorsummen von Strömen an die Wicklungen sowie einen Eingarn (30) zum Empfangen der Steuersignale von der Steuereinheit (6); und

einen Spannungsdetektor (12) mit einem Eingang (32) zum Messen einer an den Umsetzer (10) angelegten Versorgungsspannung und einem digitalen Ausgang (34), der an einen Eingang (35) der Steuereinheit (6) angeschaltet ist, umfassen.