DE4105162C2 - Anordnung zum Betreiben kollektorloser Elektromotoren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Betreiben kollektorloser Elektromtoren nach der Gattung des Hauptanspruchs. Sie ist insbesondere für Anwendungen in modular aufgebauten Antriebssystemen vorgesehen, bei denen ein Versorgungsmodul mehrere Servoantriebe speist.

Stand der Technik

Eine solche Anordnung ist aus der Siemens-Zeitschrift 45 von 1971, Heft 3, Seiten 154 bis 161 bekannt, wobei mehrere, jeweils durch einen zugeordneten Wechselrichter unabhängig voneinander gesteuerte elektronisch kommutierte Motoren über einen gemeinsamen Gleichspannungszwischenkreis versorgt werden, der seinerseits über einen eingangsseitig mit einem Wechselspannungsnetz verbundenen Gleichrichter bereitgestellt wird. Zur Glättung der Zwischenkreisgleichspannung ist ein Kondensator vorgesehen. Weitere Maßnahmen zur Stabilisierung der Zwischenkreisgleichspannung werden nicht ergriffen. Schwankungen der Zwischenkreisgleichspannung werden deshalb nahezu unvermindert an die Motoren weitergegeben. Auch Spannungsschwankungen, welche durch Rückwirkungen eines der unabhängig betriebenen Motoren auf den Zwischenkreis verursacht werden, können sich auf die jeweils anderen Motoren auswirken.

Aus der DE-OS 25 51 671 ist für einen umrichtergesteuerten Antrieb der Vorschlag bekannt, den Wert der Gleichspannung im Zwischenkreis zu erfassen und in die Regelung des Motorflusses einzubeziehen. Der Vorschlag ist jedoch auf die spezielle Anwendung in der Motorflußregelung bei einem einzelnen umrichtergesteuerten Antrieb beschränkt.

Aus der US 4 263 535 ist weiterhin der Vorschlag bekannt, den Wert der Zwischenkreisspannung in die Steuerung mehrerer unabhängiger, von einem gemeinsamen Zwischenkreis versorgter Antriebe einzubeziehen. Zur Auswertung des Zwischenkreisspannungssignals dient ein spezieller Überwachungskreis. Im Falle von Schwankungen der Zwischenkreisspannung greift er in Abhängigkeit von vorgegebenen Spannungsgrenzen in die Ansteuerung der Wechselrichter ein, um den Wert der Zwischenkreisspannung auf den Sollwert zurückzuführen. Ist dies nicht möglich, schaltet der Überwachungskreis das Antriebssystem aus. Der vorgeschlagene Überwachungskreis besitzt eine vergleichsweise komplizierte Struktur, neben digitalen weist er auch mehrere analoge Bauelemente auf. Diese Struktur bringt eine entsprechend erhöhte Störanfälligkeit mit sich, sie stellt zudem einen erheblichen Kostenfaktor dar.

Ein weiterer Vorschlag, die Zwischenkreisspannung in die Steuerung des Wechselrichters einzubeziehen, ist für den Fall mehrerer, durch einen gemeinsamen Wechselrichter gesteuerter Motoren aus der DE-PS 27 39 918 bekannt. Durch die vorgeschlagene Anordnung sollen Schwankungen der Zwischenkreisspannung unterdrückt werden, welche im asynchronen Lastbetrieb, etwa beim Hochfahren von Hysteresemaschinen entstehen.

Bekannt, zum Beispiel aus der WO 87/07455, ist ferner der Vorschlag, beim Betrieb eines einzelnen umrichtergespeisten Motors den Wert des Zwischenkreisstromes zu erfassen und diesen in die Wechselrichtersteuerung einzubeziehen.

Es ist Aufgabe der Erfindung, die vorausgesetzte Anordnung zum Betreiben kollektorloser Elektromotoren derart weiterzubilden, daß unabhängig von Änderungen der Zwischenkreisspannung ein vorgegebener Betriebszustand jedes Elektromotors eingehalten wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Anordnung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Anordnung hat den Vorteil, daß auf eine Regelung der Zwischenkreisspannung verzichtet werden kann. Die zentrale Stromversorgungseinheit kann einfacher gestaltet werden. Die Not­ wendigkeit einer kontrollierten Gleichrichtung der eingangsseitigen Wechselspannung, wie beispielsweise mit Thyristoren, entfällt. Es genügt eine ungesteuerte Gleichrichtung der Netzspannung mittels Dioden. Aufgrund des vereinfachten Aufbaus der Stromversorgungs­ einheit ist diese weniger fehleranfällig und zudem kostengünstiger. Der Wert der Zwischenkreisspannng wird direkt an die den einzelnen Servomotoren zugeordneten Mikrorechner übermittelt, welche die über­ mittelten Werte in die Wechselrichtersteuerung einbeziehen. Der zusätzliche Aufwand zur Verarbeitung der Zwischenkreisspannungs­ signale in den einzelnen Servoantrieben ist gering, da die Antriebe ohnehin mit einem Mikrorechner ausgestattet sind. Die gesamte An­ ordnung aus Leistungsumformereinheit und Servoantrieben kann modu­ lar aufgebaut sein. Ist eine Wechselrichtereinheit fehlerhaft, kann diese leicht ausgewechselt werden. Das Auswechseln beeinflußt das Versorgungsmodul oder andere vom selben Versorgungsmodul gespeiste Wechselrichtereinheiten nicht.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der vorgeschlagenen Anordnung ist in der Figur gezeigt und wird nachfolgend näher beschrieben.

Die Figur zeigt ein Blockdiagramm der Anordnung für mehrere von einem gemeinsamen Gleichspannungszwischenkreis gespeiste Servoantriebe.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Fig. 1 zeigt eine vorgeschlagene Anordnung schematisch als Blockschaltbild. Ein Gleichrichter 4 ist eingangsseitig mit ei­ ner Wechselspannungsquelle 20, hier einem Drehstromnetz, verbunden. Nachgeschaltete Wechselrichtereinheiten 1 sind mit Mikrorechnern 2 ausgerüstet. Die an der Ausgangsseite des Gleichrichters 4 anliegen­ de Gleichspannung bildet den Gleichspannungszwischenkreis 7. Dieser speist mehrere Wechselrichtereinheiten 1, die ausgangsseitig jeweils einen kollektorlosen Elektromotor, insbesondere Servomotor versor­ gen. Jede Wechselrichtereinheit 1 beinhaltet einen Mikrorechner 2, der die Wechselrichtersteuersignale generiert. Die Wechselrichteran­ steuersignale sind vorzugsweise pulsweitenmodulierte Signale. Der Mikrorechner ist ausgangseitig mit den zugehörigen Wechselrichtern verbunden. Ein Spannungsteiler mit Widerständen 16 bis 18 dient zum Abgriff der Zwischenkreisspannung 7. Das abgegriffene Spannungssi­ gnal wird über einen Verstärker 15 einem Spannungs-Frequenz-Wandler 5 (VCO), im folgenden U/f-Wandler genannt, zugeführt. Dem U/f-Wand­ ler 5 ist wahlweise ein erster Optokoppler 9 nachgeschaltet, dessen Ausgangssignal mehreren Zählern 10 zugeleitet wird. In einer alterna­ tiven Ausführung wird das Ausgangssignal 8 des U/f-Wandlers 5 gleichzeitig mehreren Optokopplern 6 für die verschiedenen Wechsel­ richtereinheiten 1 zugeführt. Den Optokopplern 6 schließt sich je­ weils eine aus dem Zähler 10 und einem Register 11 bestehende Anord­ nung an. Zähler 10 und Register 11 werden durch ein Taktsignal 19, 19′ getriggert. Über eine Datenleitung 12 greift der Mikrorechner 2 auf das Register 11 zu, in welches der Zähler 10 seine Daten ablegt. Der Rechner 2 dient zweckmäßig auch zur Kontrolle und Regelung wei­ terer Motorbetriebsfunktionen. Ebenso erfolgt die Vorgabe von Be­ triebssollwerten für die Motoren 3 über den Rechner 2. Wechselrich­ tereinheit 1 mit Mikrorechner 2 sowie Zähler 10 und Register 11 sind vorteilhaft gemeinsam in einem Wechselrichtermodul angeordnet.

Die Funktionsweise der Anordnung ist wie folgt:
Die auf der Ausgangsseite des Gleichrichters 4 anliegende Zwischen­ kreisgleichspannung 7 wird zunächst in einfacher Weise einem Span­ nungsteiler, bestehend aus den Widerständen 16 bis 18 zugeführt. Der über den Widerstand 17 abfallende Teil der Zwischenkreisspannung 7 wird in einem Verstärker 15 geeignet verstärkt. Das von dem Verstär­ ker 15 abgegebene Signal wird von dem U/f-Wandler 5 erfaßt. Der Meß­ abgriff der Zwischenkreispannung kann an einer beliebigen Stelle des Zwischenkreises 7 erfolgen, es ist ferner nur ein einmaliger Meßab­ griff erforderlich. Der Linearitätsbereich des U/f-Wandlers sollte die Schwankungsbreite der Zwischenkreisspannung 7 abdecken. Bei ei­ nem üblichen Dreiphasennetz ist dies ein Bereich zwischen 450 und 750 Volt. Der U/f-Wandler 5 erzeugt als Ausgangssignal 8 Impulszüge konstanter Länge, deren Frequenz f zur anliegenden Eingangsspannung proportional ist.

Dem U/f-Wandler 5 nachgeschaltet ist eine Vorrichtung zur Trennung der Potentiale von Zwischenkreisspannung 7 und Wechselrichtereinheit 1. Vorzugsweise werden dazu Optokoppler 9, 6 eingesetzt, möglich sind aber auch magnetische Koppler oder Transformatoren 6′. Zur all­ gemeinen Trennung des zwischenkreisseitigen Potentiales vom Poten­ tial der Steuerungsseite genügt prinzipiell ein einziger Optokopp­ ler 9, der unmittelbar hinter dem U/f-Wandler 5 angeordnet ist. Dem Optokoppler 9 schließt sich ausgangsseitig eine Zähler-/Registerein­ heit 10, 11 an, die wiederum mit allen Mikrorechnern 2 der Wechsel­ richtereinheiten 1 verbunden ist. Diese Lösung ist einfach und kostengünstig, bedingt aber, daß die Potentiale der Wechselrichter­ einheiten 1 untereinander nicht entkoppelt sind. Vorteilhaft ist deshalb, jeder Mikrorechner-/Wechselrichtereinheit 2, 1 eine eigene Zähler-/Registereinheit 10, 11 mit jeweils einem eigenen Optokopp­ ler 6 zuzuordnen. In diesem Fall kann das Ausgangsignal 8 des U/f-Wandlers 5 unmittelbar einem Optokoppler 6 zugeführt werden. Der Optokoppler 9 ist dann nicht zwingend erforderlich. Umgekehrt sind die Optokoppler 6 nicht zwingend erforderlich, wenn ein einzelner Optokoppler 9 vorgesehen ist.

In den den Optokopplern 9, 6 nachgeschalteten Zählern 10 wird das in Form eines Impulszuges eintreffende Signal der Zwischenkreisspannung 7 in einen digitalen Spannungswert umgewandelt. Hierzu zählt in ein­ facher Weise der Zähler 10 die Zahl der Impulse eines Impulszuges.

Das Ergebnis legt er in das Register 11 ab, auf welches der Mikro­ rechner 2 bei Bedarf über die Signalleitung 12 zugreift. Zähler 10 und Register 11 können von einer beliebigen Zeitbasis 19, 19′ mit einer Taktfrequenz F getriggert sein. Vorzugsweise eignet sich dazu die in der Wechselrichtereinheit 1 gegebene Zeitbasis. Grundsätzlich ist lediglich die Bedingung zu erfüllen, daß die Frequenz F der Zeitbasis 19 sehr klein ist gegenüber der kleinstmöglichen Fre­ quenz f des Ausgangssignales 8 des U/f-Wandlers 5. Wird eine Anord­ nung mit mehreren Optokopplern 6 gewählt, können die einzelnen Zäh­ ler-/Registereinheiten 10, 11 von Zeitbasen mit voneinander ver­ schiedenen Frequenzen F getriggert sein. Die Schnittstellen zwischen Optokoppler 6 und Zähler 10 müssen nicht aufeinander synchronisiert sein.

Das im Register 11 abgelegte Zwischenkreisspannungssignal wird über den Mikrorechner 2 unmittelbar in die Motorsteuerung übernommen. Der Mikrorechner berücksichtigt das Zwischenkreisspannungssignal bei der Berechnung der Wechselrichteransteuersignale. Dabei bleibt es dem Ermessen des Fachmanns überlassen, in welcher Weise genau das Signal in die Motorsteuerung einbezogen wird. So kann das Zwischenkreis­ spannunggsignal insbesondere auch für die Steuerung weiterer Funk­ tionen, wie beispielsweise zur Bestimmung der elektrischen Leistung genutzt werden. Die Anordnung aus Zähler 10 und Register 11 zur Umwandlung des Frequenzsignales 8 ist zweckmäßig innerhalb des Mikrorechners 2 realisiert.

Es ist selbstverständlich, daß an Stelle eines Spannungsabgriffes der Zwischenkreisspannung 7 ein Stromabgriff gewählt werden kann. Statt eines U/f-Wandlers 5 ist dann ein I/f-Wandler einzusetzen. Auch ist es möglich, die Mikrorechner-/Wechselrichtersätze 2, 1 in Gruppen aufzuteilen, wobei einer Gruppe eine gemeinsame Potential­ trennungseinrichtung vorgeschaltet ist, während den Mitgliedern der zweiten Gruppe jeweils eigene Potentialtrennungsvorrichtungen vor­ geschaltet sind.

Claims (6)

1. Anordnung zum Betreiben kollektorloser Elektromotoren, mit einer eingangsseitig an eine Wechselspannungsquelle angeschlossenen Gleichrichtereinheit, einem Gleichspannungszwischenkreis und mindestens zwei an den Gleichspannungszwischenkreis angeschlossenen Wechselrichtereinheiten, die jeweils einen kollektorlosen Elektromotor mit Hilfe pulsbreitenmodulierter Ansteuersignale steuern, dadurch gekennzeichnet, daß jede Wechselrichtereinheit (1) mit einem Mikrorechner (2) ausgerüstet ist, welcher das Ansteuersignal erzeugt, und daß eine der Zwischenkreisspannung entsprechende Spannung einem Spannungs-Frequenz-Wandler (5) zugeführt ist, dessen Ausgangsimpulse über eine Potentialtrennung (6, 6′, 9) einem in der Wechselrichtereinheit (1) angeordneten Zähler (10) übergeben werden, welcher das Signal in einen digitalen Spannungswert umwandelt, auf den der Mikrorechner (2) zugreift, um die Ansteuersignale in Abhängigkeit der Zwischenkreisspannung derart zu korrigieren, daß die Elektromotoren in einem vorgegebenen Betriebszustand laufen.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Potentialtrennung durch wenigstens einen dem Spannungs-Frequenz-Wandler (5) nachgeschalteten Optokoppler (6, 9) erfolgt.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Wechselrichtereinheit (1) ein Optokoppler (6) zugeordnet ist.

4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Potentialtrennung durch einen dem Spannungs-Frequenz-Wandler (5) nachgeschalteten magnetischen Koppler oder Transformator (6′) erfolgt.

5. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Um­ wandlung der von dem Spannungs-Frequenz-Wandler (5) abgegebenen Signale im Zähler (10) erfolgt, indem dieser die Zahl der in einem vorgegebenen Zeitintervall ankommenden Ausgangsimpulse summiert und in einem in der Wechselrichtereinheit (1) angeordneten Register (11) ablegt.

6. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zähler (10) und das Register (11) von einer Zeitbasis (19, 19′) der jeweils zugehörigen Wechselrichtereinheit (1) getriggert werden.