DE3836240A1

DE3836240A1 - Rotorpositionsschaetzer fuer einen geschalteten reluktanzmotor

Info

Publication number: DE3836240A1
Application number: DE3836240A
Authority: DE
Inventors: Stephen Richard Macminn; Peter Bernard Roemer
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1987-10-27
Filing date: 1988-10-25
Publication date: 1989-05-24
Also published as: DE3836240C2; FR2623033A1; JPH01164288A; KR890007051A; US4772839A; IT8822403A0; FR2623033B1; GB2211682B; GB8825082D0; GB2211682A; IT1231535B; KR920002369B1

Description

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf eine Einrichtung und ein Verfahren zum Abschätzen der Position eines Rotors eines variablen Reluktanzantriebs, der ohne einen Wellenpositionssensor arbeitet, und insbesondere zum Abschätzen der Rotorposition aus den Induktivitätscharakteristiken von nicht erregten Statorphasen.

Obwohl sie seit einiger Zeit bekannt sind, ist das Interesse an Antrieben mit geschalteten Reluktanzmotoren seit kurzer Zeit wiedererwacht. Im Vergleich zu üblichen Antriebssystemen mit Induktions- und Synchronmotoren ist der Reluktanzmotorantrieb einfach im Aufbau und wirtschaftlich. Zusätzlich erfordert der Stromrichter, der der Reluktanzmotormaschine Energie zuführt, weniger Leistungsvorrichtungen und ist deshalb wirtschaftlicher und zuverlässiger. In Anbetracht dieser Vorteile stellt das Antriebssystem mit einem geschalteten Reluktanzmotor eine attraktive Alternative für übliche Antriebssysteme dar, und es wird erwartet, daß er eine breite Popularität bei industriellen Applikationen finden wird.

Geschaltete Reluktanzmotoren haben üblicherweise viele Pole oder Zähne sowohl auf dem Stator als auf dem Rotor, d. h. sie sind doppelt ausgeprägt. Es gibt Phasenwicklungen auf dem Stator, aber keine Wicklungen oder Magnete auf dem Rotor. Jedes Paar auf einem Durchmesser gegenüberliegender Statorpole ist in Reihe geschaltet, um eine unabhängige Phase des mehrere Phasen aufweisenden geschalteten Reluktanzmotors zu bilden.

Drehmoment wird dadurch erzeugt, daß der Strom in jeder Phasenwicklung in einer vorbestimmten Folge eingeschaltet wird, die mit der Winkelposition des Rotors synchronisiert ist, so daß eine magnetische Anziehungskraft zwischen den Rotor- und Statorpolen entsteht, die sich einander nähern. Der Strom wird in jeder Phase ausgeschaltet, bevor die Rotorpole, die den Statorpolen dieser Phase am nähesten gelegen sind, sich an der Ausrichtungsposition vorbeidrehen; anderenfalls würde die magnetische Anziehungskraft ein negatives Moment oder ein Bremsmoment erzeugen. Das entwickelte Drehmoment ist unabhängig von der Richtung des Stromflusses, so daß unidirektionale Stromimpulse, die mit der Rotorbewegung synchronisiert sind, an die Statorphasenwicklungen durch einen Stromrichter angelegt werden können, wobei unidirektionale Stromschaltelemente, wie beispielsweise Thyristoren oder Transistoren, verwendet werden.

Der geschaltete Reluktanzantrieb arbeitet in der Weise, daß die Statorphasenströme in Synchronismus mit der Rotorposition ein- und ausgeschaltet werden. Durch richtiges Positionieren der Zündimpulse relativ zu dem Statorwinkel können Vorwärts- oder Rückwärtsbetrieb und Motor- oder Generatorbetrieb erhalten werden.

Gewöhnlich wird die gewünschte Phasenstromkommutierung dadurch erreicht, daß ein Rotorpositionssignal von einem Wellenpositionssensor, beispielsweise einem Codierer oder Drehmelder, zum Regler zurückgeführt wird. Aus Kostengründen bei kleinen Antrieben und Sicherheitsgründen bei größeren Antrieben und um die Größe, das Gewicht und das Trägheitsmoment in allen derartigen Antrieben zu verkleinern, ist es wünschenswert, diesen Wellenpositionssensor zu eliminieren.

Es sind verschiedene Lösungen für eine indirekte Rotorpositionsabtastung vorgeschlagen worden, indem Klemmenspannungen und -ströme des Motors überwacht werden. Eine derartige Lösung, die auch als Wellenformabtastung bezeichnet wird, hängt von Gegen-EMK- Kräften ab und ist deshalb nicht betriebssicher bei kleinen Drehzahlen und unwirksam bei Stillstand.

Die US-Patentschriften 46 11 157 und 46 42 543 beschreiben eine Arbeit, die sich mit dynamisch stabilisierenden geschalteten Reluktanzantrieben beschäftigt, indem der mittlere Zwischenkreis- Gleichstrom an Stelle der Wellenposition rückgeführt wird. Derartige Regler sind begrenzt durch die durchschnittliche Natur ihrer Rückführungsinformation und durch die Tendenz zum Jitter (Zittern) beim Anlauf. Zwar sind diese Regler bei Bläser- und Lüfter-Applikationen anwendbar, aber nicht bei Servo-Applikationen, wo eine präzise Drehzahl- und/oder Positionssteuerung erforderlich ist.

Gemäß der US-PS 45 20 302 wurde erkannt, daß die Induktivität einer Phasenwicklung von der Rotorposition abhängig ist und sich im wesentlichen sinusförmig von einem Maximum auf ein Minimum ändert, wenn sich der Rotor über eine Polteilung bewegt. Gemäß dieser Druckschrift bewirkt die Induktivitätsänderung eine entsprechende Änderung in gewissen Charakteristiken des Phasenstromflusses, die überwacht werden können, um eine indirekte Anzeige der Rotorposition abzuleiten. Der Stromfluß durch eine erregte oder nichterregte Phasenwicklung kann überwacht werden. Bei einer Antriebsschaltung nach Zerhackerart kann das Charakteristikum des Stromflusses, das gemessen wird, die Stromanstiegszeit, die Stromverzögerungszeit oder die Zerhackerfrequenz sein. Obwohl in der vorgenannten Druckschrift verschiedene Implementierungen angegeben sind, beinhalten sie offenbar alle eine Suche nach einem bekannten, beispielsweise minimalen, Induktivitätswert auf der Basis gemessener Phasenstromänderungen, und jede Unklarheit in der abgetasteten Position für die Zielinduktivität wird eliminiert, indem berücksichtigt wird, ob die überwachte Stromflußcharakteristik mit der Rotorposition steigt oder fällt (s. Spalte 6, Zeilen 62-65, und Spalte 8, Zeilen 12-19, der Druckschrift). Diese eine Unklarheit lösende Lösung geht von der Annahme aus, daß sich der Motor in einer gegebenen Richtung bewegt. Demzufolge würde sie nicht wirksam sein, wenn der Motor aus dem Stillstand startet. Diese Einschränkung ist besonders signifikant bei Servoantriebssystemen, wo es nicht toleriert werden kann, daß der Antrieb beim Starten zittert oder ruckt (Jigger).

Die indirekte Rotorpositionsabschätz- und Rückführungslösung gemäß der US-PS 45 20 302 wird weiterhin in einem Papier mit dem Titel "Detection of Rotor Position in Stepping and Switched Motors bei Monitoring of Current Wave Forms" erörtert, das in den IEEE-Trancactions on Industrial Electronics, Band IE-32, Nr. 3, August 1985, auf den Seiten 215-222 veröffentlicht ist. Bei einer Anwendung dieser Lösung auf einen Ministep-Antrieb schlagen die Autoren dieses Papieres vor, die Zerhackungscharakteristik des Phasenstroms in beiden nicht erregten Phasen eines vierphasigen Motors zu überwachen. Die Autoren stellen fest, daß es wichtig sei, "weil sich die Steigung von jeder Induktivitätspositions-Charakteristik an dem einen Ende des Positionsbereiches null nähert". An Zwischenpunkten in diesem Bereich stützt sich die bekannte Lösung offenbar auf die vorbestimmte Richtung der Rotorrotation, um Unklarheiten in bezug auf die Rotorposition aufzulösen.

Anders als bei Ministep-Antrieben gibt es bei geschalteten Reluktanzmotoren nicht immer zwei nicht erregte Statorphasen, die überwacht werden können. Weiterhin gibt es Situationen, in denen es wesentlich ist, die Rotorposition zu bestimmen, ohne daß die Richtung der Rotorposition bekannt ist oder angenommen werden kann (beispielsweise beim Starten eines Servoantriebs). Somit besteht ein Bedürfnis an einem Verfahren und einer Einrichtung, die die augenblickliche Rotorposition in einem geschalteten Reluktanzmotor genau abschätzen können, und zwar unabhängig von der Motordrehzahl oder -richtung und ohne auf einen Rotorpositionssensor zurückgreifen zu müssen.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Einrichtung zum indirekten Abschätzen einer augenblicklichen Rotorposition zu schaffen, die einen Rotorpositionssensor überflüssig machen und die damit verbundene Überlegungen hinsichtlich Kosten, Betriebssicherheit, zusätzlichem Gewicht und Strombedarf erleichtern. Dabei soll die genaue Messung der Rotorposition durch die Klemmen des Rotors möglich sein, wobei die Verwendung der existierenden Verdrahtung sowohl für die Speisung des Motors als auch die Ermittlung der Rotorposition gestattet sein soll. Weiterhin soll ein Rotorpositionsschätzer geschaffen werden, der unabhängig von der Drehzahl oder Richtung des Motors wirksam sein soll. Dieser Rotorpositionsschätzer soll auch eine kontinuierliche und zweifelsfreie Positionsinformation in Echtzeit geben, eine Phasenkopplungsinterferenz aufnehmen, leicht in einem Mikroprozessor implementierbar sein und insbesondere zur Verwendung in Servopositions- und anderen Antriebsapplikationen hoher Leistungsfähigkeit geeignet sein.

Erfindungsgemäß wird ein indirektes Rotorpositions-Abschätzverfahren geschaffen, das gleichzeitig Stromänderungen in zwei Leerlaufphasen mißt, die Meßergebnisse verarbeitet, um zwei mögliche Rotorwinkel für jede dieser Phasen zu liefern, und die Winkel in einer Weise kombiniert, die zu einer eindeutigen Schätzung der augenblicklichen Rotorposition führt.

Wenn zwei Phasen des geschalteten Reluktanzmotors nicht unerregt bleiben während der Abtast- bzw. Sampelperiode oder wenn irgendeine Phase des Motors eine Zustandsänderung während der Sampelperiode erfährt, liefert die Erfindung eine extrapolierte Rotorposition anstelle der geschätzten augenblicklichen Rotorposition. Vorzugsweise beinhaltet die Extrapolation eine rekursive Schätzung kleinster Quadrate mit exponentiellem Vernachlässigungsverfahren zur Ermittlung der Rotordrehzahl.

Eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung beinhaltet eine die Impedanz abtastende Steuerlogik, um zu ermitteln, welche Statorphasen eines geschalteten Reluktanzmotors gegenwärtig nicht erregt sind, und um jeder der nicht erregten Phasen einen Abtast- bzw. Sampelimpuls zuzuführen. Der Sampelimpuls hat eine kurze Dauer, was einen vernachlässigbaren Aufbau an Phasenstrom und eine vernachlässigbare Bewegung des Rotors zur Folge hat. Die Zufuhr des Sampelimpulses hat eine Stromänderung in jeder der nicht erregten Phasen zur Folge. Die Änderung des Stroms über einer definierten Sampelperiode wird durch einen Stromsensor abgetastet, der jeder unerregten Phase zugeordnet ist. Aus der abgetasteten Stromänderung wird ein Induktivitäts-Schätzwert für jede unerregte Phase abgeleitet und, entweder direkt oder aus daraus abgeleiteten geschätzten Induktivitätswerten, zwei geschätzte Rotorwinkel, die dem geschätzten Induktivitätswert für jede unerregte Phase entsprechen, werden ermittelt. Ein Winkelkombinierer verschiebt zwei geschätzte Winkel, die einer derartigen unerregten Phase zugeordnet sind, um einen Wert, der gleich einer bekannten Phasenverschiebung von einer zweiten, unerregten Phase ist, und vergleicht die zwei verschobenen Schätzwinkel mit den zwei Schätzwinkeln für die zweite derartige Phase, um zu ermitteln, welcher der Winkel paßt. Dann wird eine geschätzte augenblickliche Rotorwinkelposition gleich dem passenden Winkel erzeugt. Ein Extrapolator generiert eine extrapolierte Rotorwinkelposition und erzeugt ein Ausgangssignal, das die extrapolierte Rotorposition anstelle der geschätzten augenblicklichen Position darstellt, wenn eine der Statorphasen des Motors eine Zustandsänderung während der Sampelperiode durchläuft oder wenn die zwei nicht erregten Motorphasen nicht während der Sampelperiode unerregt bleiben.

Die vorstehend beschriebene Einrichtung kann vorteilhafterweise durch einen einzelnen Mikroprozessor implementiert werden. Weiterhin kann die Einrichtung für die Rotorpositionsschätzung mit einem Regler und einem Wechselrichter kombiniert werden, um eine Regelschleife für einen geschalteten Reluktanzmotor zu bilden.

Die Erfindung wird nun mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand der Beschreibung und Zeichnung von Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Fig. 1 ist ein Blockdiagramm von einem bekannten Reluktanzmotor- Antriebssystem, das einen Rotorpositionssensor verwendet.

Fig. 2 ist ein Kurvenbild und zeigt die Induktivität als eine Funktion der Rotorposition für drei Statorphasen.

Fig. 3 ist ein Blockdiagramm von einer Regeleinrichtung für einen geschalteten Reluktanzmotor mit einem Rotorpositionsschätzer, der erfindungsgemäß aufgebaut ist.

Fig. 4 ist ein Blockdiagramm von einem Winkelkombinierer und -extrapolartor, der bei der Implementierung der Erfindung brauchbar ist.

Fig. 1 zeigt ein bekanntes Antriebssystem für einen geschalteten Reluktanzmotor 10, der einen Positionssensor 12 zum Messen der Winkelposition des Rotors 14 aufweist. Das Ausgangssignal aus dem Positionssensor 12 wird in einem Signalformer 16 konditioniert, der an eine Steuereinrichtung 18 ein elektrisches Signal liefert, das den Rotorwinkel darstellt. In bekannter Weise liefert die Steuereinrichtung 18 Kommutierungssignale an einen Wechselrichter (Inverter) 20, der seinerseits Treibersignale für den Motor 10 erzeugt. Üblicherweise sind Stromsensoren, die mit einer nicht gezeigten Stromregelschaltung verbunden sind, zur Regelung des dem Motor zugeführten Stroms vorgesehen.

Bei den beschriebenen Ausführungsbeispielen der Erfindung werden der Wellenpositionssensor und der Signalumformer des bekannten Systems eliminiert, und statt dessen wird eine geschätzte Rotorwinkelposition, die durch einen Positionsschätzer generiert wird, als ein Eingangssignal an die Steuer- bzw. Regeleinrichtung geliefert.

Da ein geschalteter Reluktanzmotor sowohl am Rotor als auch am Stator ausgeprägte Pole aufweist, ist die von den Klemmen der Statorphasenwicklungen gesehene Induktivität eine strenge Funktion der Rotorposition. Da eine oder mehrere Phasenwicklungen zu irgendeiner gegebenen Zeit ausgeschaltet wird (werden), ist es möglich, die Wicklung mit einem kleinen Signalpegel zu sondieren und ihre Eingangsimpedanz zu ermitteln. Diese Information, zusammen mit der Kenntnis der funktionalen Relation zwischen Induktivität und Position, macht es möglich, die Winkelposition des Rotors allein aus elektrischen Messungen zu ermitteln, wobei das Erfordernis für einen Wellenpositionssensor eliminiert wird.

Die augenblickliche Relation zwischen Spannung v und Strom I in einer umlaufenden Maschine ist gegeben durch

wobei Ψ die Flußverkettung darstellt oder, in Stromgrößen:

wobei L die Maschineninduktivität, gesehen von den Statorklemmen, und R der Statorwiderstand sind. Da in dem geschalteten Reluktanzmotor die Induktivität L eine Funktion der Position ist:

und da die Rotordrehzahl ω = ist, gilt:

In einer Phase, die einer Einschaltung unmittelbar folgt, ist der Phasenstrom klein, und somit sind die Terme IR-Abfall und Gegen-EMK in der vorstehenden Gleichung (4) klein. Die Gleichung der Klemmenspannung reduziert sich dann auf:

Die erfindungsgemäß verwendete allgemeine Strategie, um die Rotorposition zu schätzen, besteht darin, eine nicht erregte Phase für eine Zeitperiode zu zünden, die kurz genug ist, damit der Stromaufbau und die Rotorbewegung vernachlässigbar sind. In diesem Fall kann die Phaseninduktivität angenähert werden:

wobei das Symbol einen Schätzwert bezeichnet.

Unter Verwendung der so geschätzten Induktivität kann die Rotorposition wie folgt geschätzt werden:

= G ^-1 () (7)

wobei

L = G ( R ) (8)

Die Idee, die Steigung des anfänglichen Stromanstiegs in einer nicht erregten Phase zur Ermittlung der Induktivität und somit der Rotorposition zu verwenden, ist bekannt. Es wurde jedoch gefunden, daß, um die Rotorposition eindeutig zu ermitteln, wenn die Drehrichtung der Motorbewegung nicht bekannt ist, es notwendig ist, mehr als eine Phase abzutasten bzw. zu sampeln. Dies liegt daran, daß die Funktion = G nicht einen einzigen Wert hat. Diese Funktion ist vielmehr periodisch, so daß Messungen aus zwei Phasen ausreichend sind, um die Rotorposition eindeutig zu bestimmen.

Fig. 2 ist eine Kurvendarstellung und zeigt die Phaseninduktivität L als eine Funktion der Rotorposition R für einen dreiphasigen geschalteten Reluktanzmotor. Die Phasen sind mit C, A und B bezeichnet, und der Induktivitätswert, der jeder der Phasen C, A bzw. B zugeordnet ist, trägt einen entsprechenden Index, obwohl in Fig. 2 nur L _C und L _A gezeigt sind, da die Figur einen Augenblick darstellt, in dem die Phasen C und A nicht erregt sind. Wie aus Fig. 2 deutlich wird, gibt es, abgesehen von den Extremwerten der Induktivitätskurve, für jede Phase zwei mögliche Rotorwinkel, die jedem Induktivitätswert zugeordnet sind, beispielsweise die Winkel R _{C 1} und R _{C 2} mit dem Induktivitätswert L _c. Um also eine eindeutige geschätzte Rotorposition zu erhalten, werden zwei Messungen in verschiedenen Phasen kombiniert. Wenn beispielsweise zu einem bestimmten Augenblick die geschätzte Induktivität für die nicht erregte Phase C L _C ist und der geschätzte Induktivitätswert für die nicht erregte Phase A L _A ist, dann sind die zwei geschätzten Winkel, die diesen entsprechenden Phasen zugeordnet sind, R _{C 1} und R _{C 2} bzw. R _{A 1} und R _{A 2}. Wie aus Fig. 2 zu ersehen ist, stimmt einer der Winkel der Phase A, d. h. R _{A 1}, und einer der Winkel der Phase C, d. h. R _{C 2}, überein und die anderen Winkel stimmen nicht überein. Die zusammenpassenden Winkel stellen die tatsächliche Rotorposition dar.

In der Praxis wird dieser Winkelkombinierungsschritt dadurch ausgeführt, daß beide Winkelschätzwerte aus beiden unerregten Phasen erhalten werden, die Winkelschätzwerte der einen Phase um die Winkelverschiebung zwischen den Phasen verschoben werden und dann die Ergebnisse verglichen werden, um zu ermitteln, welche Winkel zusammenpassen.

In einem geschalteten Reluktanzmotor kann es Rotorpositionen geben, wo zwei Statorphasen nicht für eine Probenentnahme bzw. für ein Sampeln frei sind, da der Strom in der einen Phase noch abklingt und der Strom in der anderen Phase sich noch aufbaut; mit anderen Worten ist nur eine Phase, beispielsweise in einer dreiphasigen Maschine, vollständig unerregt. Unter diesen Umständen, wo zwei Phasen für eine Probenentnahme nicht zur Verfügung stehen, wird erfindungsgemäß der Winkel extrapoliert, bis eine Probenentnahme möglich ist. Wie im folgenden noch näher erläutert wird, verwendet der bevorzugte Extrapolator einen rekursiven Schätzer kleinster Quadrate mit exponentieller Vernachlässigung, um die Rotordrehzahl abzuschätzen. Wenn eine der aktiven Phasen abschaltet während einer Stromabtastung mit niedrigem Pegel in den inaktiven Phasen, tritt eine Rauschnadel in dem abgetasteten Signal auf. Demzufolge verwendet die Erfindung eine Extrapolation immer dann, wenn eine Zustandsänderung in einer erregten Phase während der Stromsampelperiode auftritt.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Positionsschätzers 30 gemäß der Erfindung ist in Fig. 3 gezeigt, in der eine Regeleinrichtung für einen beispielsweise dreiphasigen geschalteten Reluktanzmotor 10 gezeigt ist. Diese Regeleinrichtung arbeitet in dem gleichen Grundbetrieb, wie er vorstehend in Verbindung mit Fig. 1 beschrieben wurde, außer daß dem Regler 18 ein geschätzter augenblicklicher Rotorwinkel von dem Positionsschätzer 30 zugeführt wird und der Wechselrichter (Inverter) 20 nicht nur mit Kommutierungssignalen auf der Leitung 32 von dem Regler 18, sondern auch mit einen kleinen Pegel aufweisenden Abtastimpulsen kurzer Dauer auf der Leitung 34 von dem Positionsschätzer 30 gespeist wird. Die Kommutierungsbefehle auf der Leitung 32 und die Abtastimpulse auf der Leitung 34 durchlaufen ein OR-Gatter 36, bevor sie in den Inverter 20 eintreten. Wie im folgenden noch näher beschrieben wird, werden die Kommutierungsbefehle auch durch eine Steuerlogik innerhalb des Positionsschätzers 30 überwacht.

In bezug auf die Zeichnung sei darauf hingewiesen, daß in den verschiedenen Figuren einander entsprechende Elemente mit gleichen Bezugszahlen versehen sind. Weiterhin sind der Klarheit halber Dreifach-Leitungen gelegentlich als eine einzelne Leitung mit einem Strich und der Zahl 3 versehen.

Wie aus Fig. 3 zu ersehen ist, sind Stromsensoren 38, 40 und 42 für die Phasen A, B bzw. C zwischen dem Ausgang des Inverters 20 und dem Eingang des Motors 10 angeordnet. Der abgetastete Strom I _A, I _B und I _C für jede entsprechende Phase fließt durch einen Analog/Digital-Wandler 44, 46 bzw. 48 und wird dann durch den Positionsschätzer 30 verarbeitet, wie nachfolgend näher beschrieben wird. In ähnlicher Weise wird eine Zwischenkreis- Gleichspannung V _DC vom Inverter 20 durch einen Analog/ Digital-Wandler 50 geleitet und dem Positionsschätzer 30 zugeführt.

Der Positionsschätzer 30 enthält eine die Impedanz abtastende Steuerlogik 52, die selektiv die verschiedenen Analog/Digital- Wandler aktiviert. Die Steuerlogik 52 überwacht auch die Kommutierungsbefehle auf der Leitung 32 und die Phasenstromwerte auf der Leitung 54, um zu ermitteln, welche Phasen zu verschiedenen Zeitpunkten unerregt sind. Ein Zeitsteuergerät (Timer) 56 ist mit der Steuerlogik verbunden, um die Zeitsteuerung zu erleichtern.

Die Steuerlogik 52 liefert auch ein elektrisches Signal, das die Spannung V darstellt, an einen Rechnerblock 58. Dieser Rechnerblock leitet einen geschätzten Induktivitätswert _A für die Phase A gemäß der Gleichung (6) ab und liefert diesen Wert an einen Funktionsblock 60, der in bekannter Weise, beispielsweise durch eine Nachschlagetabelle, die zwei geschätzten Rotorwinkeln _{A 1} und _{A 2} feststellt, die dem geschätzten Induktivitätswert _A entspricht. Die zwei geschätzten Winkel für die Phase A werden dann an einen Winkelkombinierer/Extrapolartor 62 geliefert.

In den Blöcken, die in Fig. 3 mit Kanal B und Kanal C bezeichnet sind, werden ähnliche Operationen durchgeführt wie in den Blöcken 58 und 60 für die Phasen B bzw. C, wobei zwei geschätzte Winkel _{B 1} und _{B 2} für Phase B und zwei geschätzte Winkel _{C 1}, _{C 2} für Phase C erzeugt werden. Die zwei geschätzten Winkel B und C werden wie diejenigen für die Phase A dem Winkelkombinierer/ Extrapolator 62 zugeführt. Der Winkelkombinierer/ Extrapolator vereinigt in einer nachfolgend zu beschreibenden Weise die Paare der geschätzten Winkel für die unterschiedlichen Phasen und erzeugt daraus eine augenblickliche Rotorposition zur Verwendung durch den Regler 18.

Im Betrieb überwacht die Impedanzabtast-Logikschaltung 52 die durch den Regler 18 erzeugten Kommutierungsbefehle und den Phasenstrom auf der Leitung 54, um festzustellen, welche Phasen zu Beginn nicht erregt sind. Die Steuerlogik 52 liefert dann einen Impuls mit kurzer Dauer und niedrigem Pegel auf der Leitung 34 über das OR-Gatter 36 an den Inverter 20 für jede unerregte Phase. Diese Abtastimpulse bewirken, daß der Inverter die nicht erregten Phasen für eine sehr kurze Zeitperiode durchschaltet. Die Stromsensoren 38, 40 oder 42, die jeder der entsprechenden unerregten Phasen zugeordnet sind, sprechen auf den Beginn des Stromflusses an, der in den zuvor nicht erregten Phasen gemäß der induktiven Relation anzusteigen beginnt. Nach einer vorbestimmten Zeit, die in der Steuerlogik im voraus eingestellt ist, nach dem Start der Erregung einer zuvor nicht erregten Phase mißt die Impedanzabtaststeuerlogik den Strom in jeder dieser Phasen und schaltet dann die Phasen durch die Leitung 34 aus.

Der abgetastete Strom zu Beginn und am Ende eines Sampelintervalls (in dem der Abtastimpuls den nicht erregten Phasen zugeführt wird) wird zusammen mit der gemessenen Zwischenkreis- Gleichspannung V in dem Rechnerblock 58 für Phase A und in seinen Gegenstücken in den Kanälen B bzw. C für die Phasen A, B bzw. C verarbeitet, um einen geschätzten Induktivitätswert für jeden entsprechenden nicht erregten Kanal zu erzeugen. Ein Signal, das den geschätzten Induktivitätswert für jede entsprechende unerregte Phase darstellt, wird dem Funktionsblock 60 und seinen Gegenstücken in den Kanälen B bzw. C zugeführt, und dann werden die zwei möglichen Rotorpositionen, die dem geschätzten Induktivitätswert entsprechen, für jeden unerregten Kanal festgestellt. Ein Signal, das zwei geschätzte Winkel für jede unerregte Phase darstellt, wird dem Winkelkombinierer/ Extrapolator 62 zugeführt, dessen Betrieb durch die Impedanzabtast- Steuerlogik 52 über die Leitung 64 gesteuert wird.

Die Steuerlogik 52 ermittelt den Zustand von jedem Kommutierungsbefehl am Ende der Sampelperiode, um zu ermitteln, ob eine Zustandsänderung in irgendeiner Statorphase während der Sampelperiode aufgetreten ist. Wenn keine Zustandsänderung aufgetreten ist und wenn zwei Phasen während der gesamten Sampelperiode unerregt gewesen sind, verknüpft ein Winkelkombinierer 66 (s. Fig. 4) in dem Winkelkombinierer/Extrapolator 62 die geschätzten Winkel aus den zwei unerregten Phasen, um eine abgetastete momentane Rotorposition _S zu erzeugen. Die Winkel werden dadurch kombiniert bzw. verknüpft, daß zunächst ein Satz von Winkeln für eine der unerregten Phasen um die bekannte Phasenverschiebung zwischen den zwei Phasen verschoben wird, und dann die verschobenen Winkel mit dem Satz geschätzter Winkel für die zweite Phase verglichen werden, um zu ermitteln, welche Winkel zusammenpassen. Die zusammenpassenden Winkel definieren die abgetastete momentane Rotorposition.

Parallel zu dem Winkelkombinierer 66 arbeitet ein Schätzglied 68. Das Schätzglied ist vorzugsweise ein rekursiver Schätzer kleinster Quadrate mit exponentieller Vernachlässigung, der im wesentlichen der Maschinendrehzahl ω folgt. Der Schätzer wird kontinuierlich aktualisiert und löscht aus dem Speicher oder "vergißt" bzw. vernachlässigt alte Daten exponentiell. Derartige Schätzglieder sind bekannt und in Lehrbüchern beschrieben und werden deshalb hier nicht näher erläutert. Die Ausgangsgröße des Schätzgliedes 68 wird dem Extrapolator 70 zugeführt, der in bekannter Weise eine extrapolierte Rotorposition R _E auf der Basis der zuvor abgetasteten Rotorposition und der geschätzten Drehzahl und der vergangenen Zeit ermittelt. Die Steuerlogik 52 steuert einen Schalter 72, um die extrapolierte Rotorposition durch eine abgetastete Rotorposition zu ersetzen, wenn eine Zustandsänderung in irgendeiner Phase auftritt oder wenn zwei zunächst unerregte Phasen nicht während der gesamten Sampelperiode unerregt bleiben. Das Ausgangssignal aus dem Schalter 72 stellt die gewünschte momentane Rotorposition dar.

Die Elemente des in Fig. 3 gezeigten Positionsschätzers 30 werden vorzugsweise durch einen einzelnen Hochgeschwindigkeits- Mikroprozessor implementiert, wie beispielsweise der Type TMS 320 von Texas Instruments. Ein Computerprogramm zum Implementieren des Verfahrens gemäß der Erfindung sieht wie folgt aus:

Positionsschätzprogramm
Sampelintervall ist T
Reglerzündsignalvektor ist X
Sampelabtastzeit ist T₁	Phasenstromvektor ist I
Zyklus: @	T = 0;	Takt starten
read (X₁);	lies Reglerzündanfangsstatus
read (I);	lies Phasenströme
X _s = f (I, X₁);	ermittle, ob Phasenabtastung gesetzt ist
fire (X _s);	zünde Abtastphasen
wait (T₁)	warte hier eine Weile
read (I _s);	lies Abtastströme
unfire (X _s);	Phasenabtastung abschalten
read (X₂);	lies Reglerzündungsendzustand
if X₁ = X₂ then	wenn Zustand verändert, ignoriere Eingangsgrößen
extrapolate ( R ); else @	find R, ω from I _s; @	End if output ( R )	liefere Ergebnisse
wait (T-t);	warte bis zur nächsten Zeit
End.

Es wird nun eine kurze Beschreibung des vorstehenden Programms gegeben. Der Prozeß beginnt damit, daß alles initialisiert wird, und dann werden die Reglerzustände gelesen. Insbesondere wird gelesen, welche Phasen der Regler eingeschaltet hat, und ferner werden die Phasenströme gelesen. Als nächstes wird der Phasenabtastsatz ermittelt, d. h. welche Phasen unerregt sind und demzufolge zur Abtastung verfügbar sind. Anschließend werden den verfügbaren Phasen Abtastimpulse zugeführt, es wird für ein spezifisches Intervall gewartet und dann werden die Phasenströme wieder gelesen. Die Abtastimpulse werden als nächstes gesperrt bzw. ausgeschaltet, und die Zündendzustände des Reglers werden gelesen. Eine Änderung in dem Reglerzündzustand gibt an, daß eine der Phasen entweder ein- oder ausgeschaltet ist, und daß ein Rauschen in der Messung ist; dementsprechend werden die abgetasteten Auslesungen ignoriert und eine Extrapolation implementiert. Der "if"-Befehl diktiert, daß der Winkel extrapoliert wird, wenn der Anfangszustand und der Endzustand der Reglerzündung für irgendeine Phase nicht die gleichen sind; anderenfalls werden die Rotorwinkelposition und die Drehzahl aus dem abgetasteten Stromset gefunden, ein Signal, das die Rotorwinkelposition darstellt, wird erzeugt und nach einem kurzen Intervall wird der Prozeß wiederholt.

Die folgende Relation kann verwendet werden, um den abgetasteten Phasensatz zu ermitteln:

Function f (I, X) ermittle Phasenabtastsatz
Begin
for j: = 1 to number of phases
X _S (j) = X (j) = OFF and |I (j) | < Toleranz
End;
End.

Die Kriterien, die eine Phase zu einem Element des Abtastsatzes machen, sind die, daß die Phase ausgeschaltet ist, d. h. der Regler ist nicht gezündet, und daß der Strom in der Phase null ist oder kleiner als ein gewisser Toleranzwert. Diese beiden Bedingungen müssen erfüllt sein, um eine Phase als nichterregt zu qualifizieren. Jede Phase wird gecheckt, um zu sehen, ob sie qualifiziert ist.

Die folgende Extrapolationroutine kann verwendet werden, um einen neuen Winkel aus einem vorhergehenden Winkel zu ermitteln, wenn eine Abtastung nicht angewendet werden kann:

Procedure Extrapolate
Begin
NEW: = OLD + ω*T konstante Geschwindigkeit annehmen
End.

Die Geschwindigkeit, die in dieser Routine mit ω bezeichnet ist, wird aus dem Abschätzungsglied kleinster Quadrate abgeleitet.

Schließlich wird nachfolgend eine vereinfachte Routine zum Finden von aus dem geschätzten Induktivitätswert zahlreicher unerregter Phasen angegeben:

Procedure Find from
Begin

Rest: = (L) Nachschlagetabelle für mögliche R′s
select correct aus est für 2 Phasen
End.

Aus der vorstehenden Beschreibung wird deutlich, daß ein neues und verbessertes Verfahren und eine Einrichtung zum genauen Abschätzen der momentanen Rotorposition aus den Anschlüssen eines geschalteten Reluktanzmotors entwickelt wurden. Der geschaltete Reluktanzmotor findet Anwendung als ein Servoantrieb für Luftfahrt- Anwendungen aufgrund seiner Einfachheit und Robustheit. Diese Anwendungsfälle erfordern häufig präzise Positionsinformation für eine Servoregelung. Die Eliminierung des Wellenpositionssensors aus dem geschalteten Reluktanzmotor in diesen Anwendungsfällen vergrößert seine Betriebssicherheit und verkleinert sein Gewicht, zwei Kriterien von extremer Wichtigkeit für die Luftfahrtindustrie. Darüber hinaus vergrößert die Eliminierung des Wellenpositionssensors die Attraktivität des geschalteten Reluktanzmotors für industrielle Antriebsanwendungen, wo Positionssensoren Kosten verursachen und die Betriebssicherheit verringern. Das Positionsabschätzglied gemäß der Erfindung erfüllt diese und alle anderen, eingangs genannten Aufgaben.

Es sind jedoch noch weitere Ausführungsbeispiele möglich. Beispielsweise kann der Start der Sampelperiode nach dem Zuführen des Abtastimpulses leicht verzögert werden, um Wirbelstromeffekte zu vermeiden. Wenn Änderungen in der Zwischenkreis-Gleichspannung ignoriert werden oder innerhalb einer zulässigen Toleranz bleiben, können die zwei geschätzten Winkel für jede unerregte Phase auch direkt aus der abgetasteten Stromänderung ermittelt werden, d. h. ohne Ableitung eines geschätzten Induktivitätswertes.

Claims

1. Verfahren zum Abschätzen der momentanen Rotorposition in einem geschalteten Reluktanzmotor mit mehreren Statorphasen, die in Synchronismus mit der Rotorposition erregt werden, gekennzeichnet durch:
Abtasten einer Änderung im Phasenstrom über einer Sampelperiode für jede von zwei zunächst unerregten Statorphasen des Motors, wobei die Phasenstromänderung aus der Zufuhr eines Abtastimpulses kurzer Dauer zu jeder der zunächst unerregten Statorphasen resultiert,
Feststellen von Rotorwinkeln, die der abgetasteten Phasenstromänderung für jede der unerregten Phasen entsprechen, und
Ermitteln, ob zwei Phasen während der Sampelperiode unerregt bleiben, wenn ja, Ermitteln, welcher der Rotorwinkel für die zwei Phasen paßt, und Erzeugen einer Anzeige der geschätzten momentanen Rotorposition gleich dem passenden Rotorwinkel, und wenn nein, Extrapolieren aus einer zuvor geschätzten Rotorposition zur Lieferung einer extrapolierten Anzeige der momentanen Rotorposition.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Rotorwinkel der abgetasteten Stromänderung für jede unerregte Phase entspricht und daß beim Ermitteln, ob die zwei Phasen unerregt bleiben, die Rotorwinkel der einen Phase um die Phasenverschiebung zwischen den zwei Phasen verschoben und dann die Rotorwinkel der zwei Phasen verglichen werden, um zu ermitteln, welche paßt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Extrapolation-Operation eine rekursive Abschätzung kleinster Quadrate mit exponentiellem Vernachlässigungsprozeß zur Ermittlung der Rotordrehzahl enthält.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Extrapolations-Operation implementiert wird, wenn irgendeine Statorphase während der Sampelperiode ihren Zustand ändert.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dauer des Abtastimpulses genügend kurz gemacht ist, um einen vernachlässigbaren Aufbau des Phasenstroms und eine vernachlässigbare Bewegung des Rotors zu erzeugen.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein geschätzter Induktivitätswert aus der abgetasteten Stromänderung für jede der zunächst unerregten Phasen abgeleitet wird und beim Ermitteln der Rotorwinkel zwei Rotorwinkel ermittelt werden, die dem geschätzten Induktivitätswert für jede der unerregten Phasen entsprechen.

7. Einrichtung zum Abschätzen der momentanen Rotorwinkelposition in einem geschalteten Reluktanzmotor mit mehreren Statorphasen, die selektiv synchron mit der Rotorposition erregbar sind, gekennzeichnet durch:
Impedanzabtast-Steuerlogikmittel (52) zum Ermitteln, welche der Statorphasen gegenwärtig unerregt sind, und zum Anlegen eines Sampelimpulses kurzer Dauer an jede der unerregten Phasen,
Stromabtastmittel (38, 40, 42) zum Abtasten einer Stromänderung über einer definierten Sampelperiode für jede der unerregten Phasen bei Anlegen des Sampelimpulses an jede der unerregten Phasen,
Signalverarbeitungsmittel (60) zum Bestimmen eines Paares von geschätzten Rotorwinkeln, die der abgetasteten Stromänderung für jede der unerregten Phasen entsprechen, und
Winkelverknüpfungsmittel (62) zum Verschieben von zwei geschätzten Winkeln für eine der unerregten Phasen um einen Wert, der gleich einer Phasenverschiebung von einer zweiten unerregten Phase ist, zum Vergleichen des verschobenen Paares geschätzter Winkel mit dem Paar geschätzter Winkel für die zweite unerregte Phase, um zu ermitteln, welcher der Winkel paßt, und zum Erzeugen einer Anzeige der geschätzten momentanen Rotorwinkelposition gleich dem passenden Winkel.

8. Einrichtung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch:
Extrapolationsmittel (bei 62) zum Erzeugen einer Anzeige der extrapolierten Rotorwinkelposition und zum Erzeugen der Anzeige der extrapolierten Position anstelle der geschätzten momentanen Position, wenn eine der Statorphasen während der Sampelperiode eine Zustandsänderung durchläuft.

9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzeige der extrapolierten Position erzeugt wird, wenn die zwei unerregten Phasen des Motors nicht während der Sampelperiode unerregt bleiben.

10. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Extrapolationsmittel Schätzmittel aufweisen zum Abschätzen der Rotordrehzahl durch eine rekursive Abschätzung kleinster Quadrate mit exponentiellem Vernachlässigungsprozeß.

11. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Impedanzabtast-Steuerlogikmittel einen Reglerzündzustand und den Phasenstrom für eine Statorphase überwachen, um zu ermitteln, ob die überwachte Statorphase unerregt ist.

12. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalverarbeitungsmittel ferner Mittel aufweisen zum Ableiten eines geschätzten Induktivitätswertes aus der abgetasteten Stromänderung für jede der unerregten Phasen und daß die Signalverarbeitungsmittel das Paar geschätzter Rotorwinkel für jede unerregte Phase feststellen bei dem geschätzten Induktivitätswert für jede unerregte Phase.

13. Einrichtung nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch: einen Regler zur Aufnahme der Anzeige der Rotorwinkelposition von der Einrichtung und zum Erzeugen von Kommutierungssignalen und einen Inverter zum Aufnehmen der Kommutierungssignale und zur Lieferung von Phasentreibersignalen an den Motor.

14. Einrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Kommutierungssignale auch an die Impedanzabtast-Steuerlogikmittel geliefert sind und die Einrichtung ein OR-Gatter zur OR-Verknüpfung der Kommutierungssignale und der Sampelimpulse an den Inverter und Zeitsteuermittel (56) aufweist zur Definierung der Sampelperiode.

15. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Impedanzabtast-Steuerlogikmittel (52), die Signalbearbeitungsmittel (60), der Winkelkombinierer und der Extrapolator (62) alle in einem Mikroprozessor implementiert sind.