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Dokumentenidentifikation DE69603643T2 30.12.1999
EP-Veröffentlichungsnummer 0735654
Titel Positionsgeber
Anmelder Switched Reluctance Drives Ltd., Harrogate, North Yorkshire, GB
Erfinder Sugden, David Mark, Ilkley, Leeds, LS29 8QG, GB
Vertreter Herrmann-Trentepohl und Kollegen, 81476 München
DE-Aktenzeichen 69603643
Vertragsstaaten DE, ES, FR, GB, IT, NL, SE
Sprache des Dokument En
EP-Anmeldetag 22.03.1996
EP-Aktenzeichen 963019898
EP-Offenlegungsdatum 02.10.1996
EP date of grant 11.08.1999
Veröffentlichungstag im Patentblatt 30.12.1999
IPC-Hauptklasse H02K 29/10
IPC-Nebenklasse H02K 29/00   

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein einen Positionskodierer und insbesondere einen Positionskodierer zum Gebrauch in einem geschalteten Reluktanzantrieb.

Im allgemeinen kann eine Reluktanzmaschine als ein elektrischer Motor betrieben werden, bei welchem ein Drehmoment durch die Tendenz seines beweglichen Teils, sich in eine Position zu bewegen, wo die Reluktanz eines Magnetkreises minimiert ist, d. h. die Induktanz der erregenden Windung maximiert ist, erzeugt wird.

In einer Art von Reluktanzmaschine findet die Erregung der Phasenwicklungen mit einer gesteuerten Frequenz statt. Diese Maschinen können als ein Motor oder ein Generator betrieben werden. Sie werden im allgemeinen als synchrone Reluktanzmotoren bezeichnet. In einem zweiten Typ von Reluktanzmaschinen ist eine Schaltungsanordnung zum Ermitteln der Winkelposition des Rotors und Erregen der Phasenwicklungen als eine Funktion der Rotorposition vorgesehen. Dieser zweite Typ von Reluktanzmaschine kann ebenfalls ein Motor oder ein Generator sein, und derartige Maschinen sind allgemein bekannt als geschaltete Reluktanzmaschinen. Die vorliegende Erfindung ist allgemein anwendbar auf geschaltete Reluktanzmaschinen, einschließlich geschalteter Reluktanzmaschinen, die als Motoren oder Generatoren betrieben werden.

Fig. 1 zeigt die Hauptkomponenten eines geschalteten Reluktanzantriebssystems 10 für eine geschaltete Reluktanzmaschine, die als ein Motor arbeitet. Die angeschlossene Gleichstromversorgung 11 kann entweder eine Batterie oder eine gleichgerichtete und gefilterte Wechselstromversorgung sein. Die Gleichspannung, die durch die Energieversorgung 11 bereitgestellt wird, wird an die Phasenwick lungen des Motors 12 über einen Leistungswandler 13 unter der Steuerung der elektronischen Steuereinheit 14 angelegt. Das Schalten muß korrekt mit dem Drehwinkel des Rotors zum richtigen Betrieb des Antriebs 10 synchronisiert sein. So ist typischerweise ein Rotorpositionsdetektor 15 eingesetzt, um Signale zu liefern, die der Winkelposition des Rotors entsprechen. Die Ausgabe des Rotorpositionsdetektors 15 kann ebenfalls verwendet werden, um ein Geschwindigkeitsfeedbacksignal zu erzeugen. Eine optische Rotorpositionsdetektoranordnung für die Verwendung in einem geschalteten Reluktanzmotor ist beispielsweise aus der GB- A-2 266 196 bekannt. Der Rotorpositionsdetektor 15 kann viele Formen annehmen. In einigen Systemen kann der Rotorpositionsdetektor 15 einen Rotorpositionsübertrager umfassen, der Ausgabesignale bereitstellt, die den Zustand jedesmal wechseln, wenn der Rotor sich zu einer Position dreht, bei der eine unterschiedliche Schaltanordnung der Vorrichtungen in dem Leistungswandler 13 erforderlich ist. In anderen Systemen kann der Rotorpositionsdetektor 15 einen relativen Positionskodierer umfassen, der jedesmal einen Taktpuls (oder ähnliches Signal) bereitstellt, wenn sich der Rotor durch einen vorgewählten Winkel dreht.

In Systemen, bei denen der Rotorpositionsdetektor 15 einen Rotorpositionsübertrager umfaßt, kann der Ausfall der Rotorpositionsübertragungs- Schaltungsanordnung zum richtigen Bereitstellen von Ausgabesignalen, die die Winkelposition des Rotors darstellen, die Leistung ernsthaft beeinflussen, oder im schlimmsten Fall den Motor unbrauchbar machen. Unter bestimmten Umständen kann eine Steuerung 14, die versucht, eine Maschine basierend auf falschen Rotorpositionsübertragungsausgaben zu steuern, potentiell sowohl die Maschine als auch den Rest der Steuerschaltungsanordnung beschädigen.

Die Wichtigkeit von akkuraten Signalen vom Rotorpositionsdetektor 15 kann unter Hinweis auf die Fig. 2 und 3 erklärt werden. Fig. 2 und 3 erklären das Schalten einer Reluktanzmaschine, die als Motor betrieben wird.

Fig. 2 zeigt allgemein einen Rotorpol 20, der sich einem Statorpol 21 gemäß dem Pfeil 22 nähert. Wie in Fig. 2 gezeigt, ist ein Teil einer kompletten Phasenwicklung 23 um den Statorpol 21 gewickelt. Wie oben diskutiert, wird wenn der Bereich der Phasenwicklung 23 um den Statorpol 21 erregt wird, eine Kraft auf den Rotor ausgeübt, die darauf ausgerichtet ist, den Rotorpol 20 in eine Ausrichtung mit dem Statorpol 21 zu ziehen.

Fig. 3 zeigt allgemein die Schaltungsanordnung im Leistungswandler 13, der die Erregung des Bereichs der Phasenwicklung 23 um den Statorpol 21 steuert. Wenn die Energieschaltvorrichtungen 31 und 32 angeschaltet sind, ist die Phasenwicklung 23 mit der Quelle der Gleichstromenergie verbunden, und die Phasenwicklung wird erregt.

Im allgemeinen wird die Phasenwicklung erregt, um die Drehung des Rotors wie folgt zu bewirken: bei einer ersten Winkelposition des Rotors (genannt der Anschaltwinkel) stellt die Steuerung 14 die Schaltsignale bereit, um die beiden Schaltungsvorrichtungen 31 und 32 anzuschalten. Wenn die Schaltvorrichtungen 31 und 32 an sind, ist die Phasenwicklung mit dem Gleichstrombus gekoppelt, der einen ansteigenden magnetischen Fluß, der in dem Motor eingerichtet werden soll, verursacht. Es ist dieser magnetische Fluß, der an den Rotorpolen zieht, der das Motordrehmoment erzeugt. Da der magnetische Fluß in der Maschine ansteigt, fließt elektrischer Strom von der Gleichstromversorgung, der durch den Gleichstrombus bereitgestellt ist, durch die Schalter 31 und 32 und durch die Phasenwicklung 23. In einigen Steuerungen wird ein Stromfeedback eingesetzt und die Größe des Phasenstroms wird durch Zerhacken des Stroms durch schnelles An- und Abschalten einer oder beider der Schaltvorrichtungen 31 und/oder 32 gesteuert.

In vielen Systemen verbleibt die Phasenwicklung mit den Gleichstrombusleitungen verbunden (oder verbunden mit Unterbrechung, falls Zerhacken eingesetzt wird), bis der Rotor sich so gedreht hat, daß er erreicht hat, was als der Rotor- "Freilaufwinkel" bezeichnet wird. Wenn der Rotor eine Winkelposition entsprechend dem Freilaufwinkel (Position 24 in Fig. 2) erreicht, wird einer der Schalter, beispielsweise 31, abgeschaltet. Folglich wird zwar der Stromfluß durch die Phasenwicklung beibehalten, aber er wird nun nur durch einen der Schalter (in diesem Beispiel 32) und durch nur eine der Rückflußdioden (in diesem Beispiel 34) fließen. Während der Freilaufperiode liegt ein geringes Spannungsdifferential an der Phasenwicklung an und der Fluß verbleibt im wesentlichen konstant. Das Motorsystem verbleibt in diesem Freilaufzustand, bis der Rotor sich zu einer Winkelposition dreht, die als der "Abschalt"-Winkel (dargestellt durch die Position 25 in Fig. 2) bekannt ist. Wenn der Rotor den Abschaltwinkel erreicht, werden beide Schalter 31 und 32 abgeschaltet und der Strom in der Phasenwicklung 23 beginnt durch die Dioden 33 und 34 zu fließen. Die Dioden 33 und 34 liegen dann an der Gleichspannung von dem Gleichungsspannungsbus in entgegengerichtetem Sinn an, was verursacht, daß der magnetische Fluß (und deshalb der Phasenstrom) in der Maschine abnimmt.

Die Erregung der Phasenwicklungen in einem geschalteten Reluktanzmotor hängt entscheidend von der genauen Ermittlung der Winkelposition des Rotors ab. Falls der Rotorpositionsdetektor ausfällt und die Steuerung fortfährt, die Phasenwicklungen zu erregen, können gefährlich hohe Ströme in dem Motor gebildet werden, die möglicherweise den Motor und die Steuerung zerstören. Darüber hinaus ist es oft notwendig, wenn ein Antriebssystem ausfällt, die verschiedenen Steuer- und Motorkomponenten zu testen, um die ausgefallenen Elemente zu finden. Es wäre vorteilhaft, einen Indikator zu haben, der spezifisch anzeigt, daß der Ausfall des Motors ein Ergebnis eines Rotorpositionsdetektorausfalls war, so daß unnötiges Testen und Fehlerbeseitigen nicht versucht wird. Während einige komplizierte Rotorpositionsdetektoren einige fehleranzeigende Schaltungen aufweisen, sind derartige Kodierer relativ teuer und erfordern zusätzliche Hardware für den geeigneten Betrieb. Bekannte Positionsdekodierer liefern keinen kostengünstigen, kompakten Rotorpositionsdetektor, der eine Anzeige liefert, wenn der Rotorpositionsdetektor ausgefallen ist. Zusätzlich zu Problemen mit dem Ermitteln von Sensorfehlern sind bekannte Kodiersysteme für geschaltete Reluktanzmaschinen oft aufgrund der teueren Elektronik limitiert, die erforderlich ist, um schnell digitale Signale, die durch einen Inkrementpositionskodierer bereitgestellt werden, zu verarbeiten, so daß die Phasenerregung zu geeigneten Zeitpunkten stattfindet. Beispielsweise kann ein inkrementeller Positionskodierer in bekannten Systemen verwendet werden, der eine relativ große Anzahl von digitalen Taktpulsen zu jeder vollständigen Umdrehung des Rotors bereitstellt. In Systemen, die keine teueren elektronischen Schaltungen oder Hochgeschwindigkeits-Mikroprozessoren verwenden, ist es oft schwierig und teuer, die große Anzahl von digitalen Pulsen, zu verarbeiten die durch den inkrementellen Kodierer bereitgestellt werden, um die Erregung der Phasenwicklungen mit der Winkelposition des Rotors geeignet zu synchronisieren.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, diese Nachteile der bekannten Positionsdetektoren zu überwinden und einen relativ billigen Rotorpositionsdetektor bereitzustellen, der eine Anzeige bereitstellt, wenn ein Fehler aufgetreten ist, ohne der Notwendigkeit für komplexe und teuere zusätzliche Schaltungsanordnungen. Darüber hinaus liefert die vorliegende Erfindung einen Rotorpositionskodierer einschließlich einem inkrementellen und einem absoluten Kodierer und ein Verfahren zum effektiven Steuern der Phasenerregung durch die Verwendung eines wiederholenden inkrementellen Positionssignals, das digitale Pulse in einer Anzahl umfaßt, die größer ist als die gesamte Anzahl von Zustandswechseln, die in dem absoluten Kodierer bei jeder Umdrehung auftreten. Die Verwendung dieses wiederholenden Signals von dem inkrementellen Kodierer ermöglicht die Konstruktion einer kostengünstigen, effizienten Motorsteuerung.

Die vorliegende Erfindung ist definiert durch den unabhängigen Anspruch. Bevorzugte Merkmale der Erfindung sind in den davon abhängigen Ansprüchen wiedergegeben.

Die vorliegende Erfindung erstreckt sich auf ein kostengünstiges, effektives Steuersystem, das einen verbesserten Rotorpositionsdetektor beinhaltet, der einen Satz von Sensoren beinhaltet, die eine Auflösung verwenden, sowie einen zweiten Satz von Sensoren, die eine zweite Auflösung verwenden. In Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird der erste Satz verwendet, um den korrekten Betrieb des zweiten Satzes zu bestätigen. Jeder Satz von Sensoren in der vorliegenden Erfindung kann aus einem oder mehreren Sensoren bestehen. In Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Sensorausfalldetektor vorgesehen, der von einem ersten Satz von Positionssensoren Positionssignale empfängt, die den Zustand mit einer hohen Auflösung ändern, sowie von einem zweiten Satz von Positionssensoren Positionssignale, die den Zustand mit einer niedrigen Auflösung ändern. Die Ermittlungsschaltung überwacht eine Zählung für die Positionssignale mit der hohen Auflösung zwischen den Zuständen der Positionssignale mit der niedrigen Auflösung und vergleicht die Zählung mit einem vorbestimmten Wert, der eine erwartete Zählung für die Positionssignale mit der hohen Auflösung zwischen den Zuständen der Positionssignale mit niedrigerer Auflösung darstellt. Jeder signifikante Unterschied zwischen der ermittelten Zählung und der vorgeschlagenen Zählung zeigt einen Fehler in einem der Sensoren an. Auf diese Weise kann eine Sensorausfall- Ermittlungsschaltung in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung einen Sensorausfall für einen Positionskodierer einer geschalteten Reluktanzmaschine ermitteln.

Andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden beim Lesen der nachfolgenden detaillierten Beschreibung von beispielartigen Ausführungsformen und unter Verweis auf die Zeichnungen offensichtlich werden, bei welchen:

Fig. 1 die Hauptkomponenten eines geschalteten Reluktanzantriebssystems zeigt;

Fig. 2 einen Rotorpol, der sich einem Statorpol annähert, und die Umkehrpunkte für den Bereich der Phasenwicklung zeigt, die mit dem Statorpol verbunden ist;

Fig. 3 allgemein die Schaltungsanordnung in einem Energieumwandler zeigt, der die Erregung des Bereichs der Phasenwicklung steuert, die mit dem Statorpol der Fig. 2 verbunden ist;

Fig. 4 ein verbessertes Steuersystem und einen Positionskodierer zum Steuern des Betriebs eines geschalteten Reluktanzantriebs darstellt;

Fig. 5a-5c die Konstruktion des Kodierers aus Fig. 4 mit größerer Detailgenauigkeit darstellen;

Fig. 6a-6b Beispiele einer Schaltungsanordnung liefern, die verwendet werden kann, um den Frequenzvervielfacher aus Fig. 4 zu verwirklichen;

Fig. 7a und 7b ein Beispiel der Schaltungsanordnung, die verwendet werden kann, um die Winkelsteuerung aus Fig. 4 zu verwirklichen, und die Signale allgemein darstellen, die zu der Winkelsteuerung übertragen und durch sie erzeugt werden;

Fig. 8 ein Beispiel einer Ausführungsform der Sensorausfall- Ermittlungsschaltungsanordnung der vorliegenden Erfindung zeigt;

Fig. 9 ein beispielhaftes Zeitdiagramm für die Sensorausfall- Ermittlungsschaltung aus Fig. 5 zeigt, die die Positionssignale von dem Positionskodierer der Fig. 5a-5c erhält;

Fig. 10 allgemein eine andere Ausführungsform einer Sensorausfall- Ermittlungsschaltung in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung zeigt; und

Fig. 11 ein allgemeines Flußdiagramm zeigt, das den Betrieb der Sensorausfall-Ermittlungsschaltung der Fig. 10 darstellt.

Die gleichen Bezugszeichen bezeichnen gleiche Teile bei den verschiedenen Ansichten der Zeichnungen.

Erläuternde Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend beschrieben, so wie sie ausgeführt sein könnten, wobei sie die Sensorausfall- Ermittlungsschaltungsanordnung verwenden, um wirksam den Ausfall eines Sensors eines Positionskodierers eines geschalteten Reluktanzantriebssystems zu ermitteln. Im Interesse der Klarheit werden nicht alle Merkmale einer tatsächlichen Ausführung in dieser Beschreibung dargestellt.

Im allgemeinen umfaßt die vorliegende Erfindung ein verbessertes Steuersystem und Positionskodierer zum Steuern des Betriebs einer geschalteten Reluktanzmaschine, wie allgemein in Fig. 4 dargestellt. Mit Bezug auf Fig. 4 umfaßt das System eine Steuerung 40, die Signale entsprechend der Winkelposition des Rotors von dem Rotorpositionskodierer 42 erhält. Als Antwort auf die Signale vom Kodie rer 42 erzeugt die Steuerung 40 Schaltsignale (oder Aktivierungssignale), die den Schaltzustand der Energieschaltvorrichtungen (nicht gezeigt in Fig. 4), die die Anregung der Phasenwicklungen steuern, bestimmen.

In der Ausführungsform von Fig. 4 umfassen die Signale, die durch den Kodierer 42 der Steuerung 40 bereitgestellt werden, zwei Sätze: einen ersten Satz 42a und einen zweiten Satz 42b. Die Signale, die den ersten Satz 42a umfassen, sind von einer ersten Auflösung, die der absoluten Position des Rotors entspricht, in der Weise, daß die Signale von dem Satz 42a verwendet werden können, um die tatsächliche Rotorposition innerhalb einer Spanne von 360 elektrischen Graden zu bestimmen. Die Signale, die den zweiten Satz 42b umfassen, sind von einer zweiten Auflösung, die der inkrementellen Position in der Weise entsprechen, daß die Signale, die den Satz 42b umfassen, eine ganzzahlige Zahl von Impulsen pro Umdrehung bereitstellen, die die relative Bewegung des Rotors anzeigen, jedoch keine Anzeige seiner absoluten Position ergeben. In der Ausführungsform von Fig. 4 ist die Auflösung des ersten Satzes kleiner als die Auflösung des zweiten Satzes, und die Ausgangssignale vom Kodierer 42, die die ersten und zweiten Sätze 42a-b umfassen, umfassen eine Serie von digitalen Pulsen.

Die Fig. 5a-5c zeigen in größerer Detailgenauigkeit die Konstruktion des Kodierers 42. In der Ausführungsform der Fig. 5a-5c umfaßt der Kodierer 42 einen Schalenflügel 50 und Sensoren 51a, 51b und 51c sowie 52a und 52b. Fig. 5a stellt eine perspektivische Ansicht eines Schalenflügels 50 dar. Die Fig. 5b und 5c zeigen den Schalenflügel 50 in größerem Detail und zeigen die Anordnung der Sensoren 51a-c und 52a-b in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung.

Mit Bezug auf Fig. 5b umfaßt der Schalenflügel 50 einen Doppelauflösungs- Schalenflügel, der zwei Sätze von Zähnen 53 und 56 beinhaltet. Der erste Satz von Zähnen 53 beinhaltet acht vorspringende Zähne 53a-h, die acht lichtundurchlässige Bereiche entsprechend zu den Zähnen 53a-h (hier als "Markierungsbereiche" bezeichnet) und acht lichtdurchlässige Bereiche 54a-h (bezeichnet als "Zwischenraum"-Bereiche) definieren. In der Ausführungsform von Fig. 5 besitzen die Zähne 53a-h alle die gleiche Breite und sind so dimensioniert, daß der Winkelbereich der Markierungsbereiche im wesentlichen gleich dem Winkelbereich der Zwischenraumbereiche ist.

Die Fig. 5b und 5c stellen dar, wie der erste Satz von Zähnen 53 verwendet werden kann, um einen digitalen Kodierer einer ersten Auflösung bereitzustellen, der Signale liefert, die die absolute Position des Rotors relativ zum Stator anzeigen. Mit Bezug auf Fig. 5b werden drei Sensoren 51a-51c in Verbindung mit dem Schalenflügel 50 verwendet, um den ersten Satz von digitalen Signalen bereitzustellen. In der Ausführungsform der Fig. 5a-c umfassen die drei Sensoren 51a-51c optische Schlitzsensoren, die im wesentlichen mit 15º Abstand angeordnet sind, wie in Fig. 15c gezeigt. Die optischen Sensoren 51a-51c sind weiterhin so angeordnet, daß sie die acht Zähne 53a-h aufnehmen. Im Betrieb stellt jeder der drei Sensoren 51a-51c ein digitales Signal eines ersten logischen Zustands (z. B., logische "1") bereit, wenn einer der Zähne 53a-h sich in dem Schlitz befindet, der mit diesem Sensor verbunden ist, und stellt ein digitales Signal eines zweiten logischen Zustands (z. B. logisch "0") bereit, wenn der Schlitz, der mit dem Sensor verbunden ist, leer ist. Entsprechend stellen die Ausgaben von den Sensoren zusammen eine Anzeige der absoluten Position des Rotors bereit, wenn sich die Zähne 53a-h an den Sensoren 51a-51c vorbeidrehen.

Mit Bezug zurück auf die Fig. 5b kann festgestellt werden, daß der Schalenflügel 50 ebenso einen zweiten Satz von Zähnen 56 beinhaltet. In der Ausführungsform der Fig. 5a-5c umfaßt der zweite Satz von Zähnen 56 einhundertzwanzig Zähne mit gleicher Breite, die so dimensioniert, um einhundertzwanzig lichtundurchlässige Bereiche (bezeichnet als "Markierungs"-Bereiche) und einhundertzwanzig lichtdurchlässige Bereiche (bezeichnet als "Zwischenraum"-Bereiche) bereitzustellen.

Die Fig. 5b und 5c stellen dar, wie der zweite Satz von Zähnen 56 verwendet werden kann, um einen digitalen Kodierer einer zweiten Auflösung bereitzustellen, der Signale bereitstellt, die die inkrementelle Position des Rotors anzeigen. Mit Bezug auf Fig. 5b werden zwei Sensoren 52a und 52b in Verbindung mit dem Schalenflügel 50 verwendet, um den zweiten Satz von digitalen Signalen bereitzustellen. In der Ausführungsform der Fig. 5a bis 5c umfassen die zwei Sensoren 52a-52b optische Schlitzsensoren, die im wesentlichen im 0,75º Abstand angeordnet sind, wie in Fig. 5c dargestellt. Die optischen Sensoren 52a-52b sind weiterhin angeordnet, um die einhundertzwanzig Zähne aufzunehmen, die den zweiten Satz von Zähnen 56 umfassen. Die Sensoren 52a und 52b funktionieren in einer ähnlichen Art und Weise zu der der Sensoren 51a-51c, die oben beschrieben wurde. Durch Überwachung der Ausgaben der Sensoren 52a und 52b in der nachfolgend beschriebenen Weise ist es möglich, einen digitalen Puls zu jeder Zeit zu erzeugen, in der der Rotor sich durch ein 0,75º Hochauflösungsinkrement der Drehung dreht. Die digitalen Pulse, die von dieser Überwachung der Sensoren 52a und 52b bereitgestellt werden, bilden ein Beispiel eines zweiten Satzes von Signalen einer zweiten Auflösung. Es sollte berücksichtigt werden, daß der spezielle Kodierer 42, der in den Fig. 5a-5c dargestellt ist, nur beispielhaft ist, und daß die vorliegende Erfindung auf andere Typen und Konfigurationen von Flügeln, Sensoren und auf andere Formen von Positionskodierern anwendbar ist. Beispielsweise könnte die Anzahl von Zähnen pro Satz geändert werden sowie die Anzahl und die Anordnung der Sensoren, ohne den Bereich der beigefügten Ansprüche zu verlassen. Darüber hinaus ist es nicht notwendig, daß ein Schalenflügel benutzt wird oder daß der Flügel lichtundurchlässige und lichtdurchlässige Bereiche definiert. Andere Typen von Flügeln und Sensoren könnten verwendet werden. Beispielsweise könnte der Flügel aus magnetischen Markierungsbereichen und nichtmagnetischen Zwischenraumbereichen aufgebaut sein und die Sensoren könnten Hall-Effekt-Vorrichtungen umfassen. In ähnlicher Weise könnte der Flügel Zähne aus ferromagnetischem Material umfassen und die Sensoren könnten jeweils eine Art von Reluktanzsensor sein. Andere Einrichtungen zum Erhalten der digitalen Signale beinhalten Bereiche von Kapazität oder Induktivität, die abwechseln, und einen geeigneten Sensor, um die Veränderungen zu ermitteln. Ebenso könnten Variationen in der Lichtreflexion anstelle von Bereichen mit veränderlicher Lichtdurchlässigkeit verwendet werden. Es ist vorteilhaft, daß der Zwischenraum zwischen den Sensoren in Fig. 5c so ist, daß ihre Ausgabesignale einer bestimmten Abfolge folgen, so wie die Markierungs- und Zwischenraumbereiche vorbeilaufen. Falls nicht genügend Platz ist, um beispielsweise alle oder beide Sensoren in einem begrenzten Winkelbereich anzuordnen, so ist klar, daß jeder Sensor in seiner jeweiligen Position angeordnet werden kann, jedoch relativ zu benachbarten Sensoren, so daß er jedoch zur geeigenten Zeit durch eine separate Markierung/Zwischenraum beeinflußt wird. Falls berücksichtigt wird, daß die Markierungsbereiche einen Grundkreisdurchmesser (PCD) aufweisen, kann die Position eines Sensors auf einem PCD über eine oder mehrere Markierungs- /Zwischenraumabstände verändert werden, ohne den Zeitablauf der Wellenformen, die durch die Sensoren erzeugt werden, zu verändern. Entsprechend ist die vorliegende Erfindung nicht auf den spezifischen Kodierer, der in den Fig. 5a-5c dargestellt ist, beschränkt, sondern kann auf andere Kodierer angewandt werden, die einen ersten Satz von Signalen mit einer ersten Auflösung und einen zweiten Satz von Signalen einer zweiten Auflösung erzeugen.

Mit Bezug auf Fig. 4 empfängt die Steuerung 40 der vorliegenden Erfindung die zwei Sätze von Ausgangssignalen von dem Kodierer 42 und verwendet diese Signale, um das Schalten der Energievorrichtungen zu steuern, um die Anregung der Phasenwicklungen einer geschalteten Reluktanzmaschine zu steuern. Es kann festgestellt werden, daß der zweite Satz von digitalen Ausgangssignalen 42b von dem Kodierer 42 einem Frequenzvervielfacher 44 zugeführt wird. Der Frequenzvervielfacher 44 empfängt den zweiten Satz von Signalen der zweiten Auflösung von dem Kodierer 42 und erzeugt ein Hochfrequenztaktsignal (HF clock), das von der Winkelsteuerung 46 verwendet wird, um die Anregung der Phasenwicklungen der Maschine zu steuern. Obwohl nicht in der Fig. 4 dargestellt, sind Ausführungsformen vorgesehen, bei denen der Frequenzvervielfacher 44 den ersten Satz von Signalen von dem Kodierer 42 empfängt und das HF clock von dem ersten Satz von Signalen erzeugt.

Die Fig. 6a-6b zeigen Beispiele von Schaltungsanordnungen, die verwendet werden können, um den Frequenzvervielfacher 44 aus Fig. 4 zu verwirklichen. Fig. 6a zeigt die Schaltungsanordnung, die verwendet werden kann, wenn der zweite Satz von Signalen von dem Kodierer 42 dem Frequenzvervielfacher 44 bereitgestellt wird. Fig. 6b zeigt eine Schaltungsanordnung, die verwendet werden kann, wenn der erste Satz von Signalen 42a von dem Kodierer 42 an den Frequenzvervielfacher 44 geliefert wird.

Mit Bezug auf Fig. 6a wird der zweite Satz von digitalen Signalen 42b einem Inkrementdetektor 60 übertragen, der die Signale von den Sensoren 52a und 52b überwacht und ein Signal erzeugt, das den Zustand ändert, wenn der Rotor sich um ein vorbestimmtes Hochauflösungsinkrement der Drehung gedreht hat. In der Ausführung der Fig. 6 umfaßt ein Inkrementdetektor 60 einen ausschließlichen ODER-Durchgang (XOR). Der Ausgang von dem Inkrementdetektor 60 ist eine Serie von Taktpulsen, bei denen jeder Taktpuls einem Hochauflösungsinkrement der Drehung der Rotors entspricht. Die Serie von Taktpulsen von dem Inkrementdetektor 60 wird auf den Rücksetzeingang eines Achtbit-Vorwärtszählers 61 übertragen. Entsprechend empfängt der Vorwärtszähler 61 die Serie von digitalen Pulsen, die von den Sensoren 52a und 52b erhalten werden, die aus einer vorbestimmten Anzahl von Pulsen für jede vollständige Drehung des Rotors bestehen. Der Takteingang des Achtbit-Vorwärtszählers 61 ist mit dem Systemtaktgeber über einen ÷ N-Teiler 63 verbunden, wobei N eine ganze Zahl ist, die den Wert 4 in diesem Beispiel hat. Der Systemtaktgeber kann eine Frequenz haben, die sehr hoch ist im Vergleich zur Frequenz der digitalen Pulse, die den zweiten Satz von digitalen Signalen, die durch den Kodierer 42 bereitgestellt werden, umfaßt. Beim Be trieb wird der Vorwärtszähler 61 jedesmal zurückgesetzt, wenn eine ansteigende oder fallende Flanke eines Pulses in dem zweiten Satz von digitalen Signalen, der durch den Kodierer 42 bereitgestellt wird, auftritt. Der Vorwärtszähler 61 wird dann als Antwort zum dividierten Systemtakt nach oben zählen, um einen getakteten Ausgang bereitzustellen, der mit der Winkelgeschwindigkeit des Rotors korrespondiert. Beispielsweise wird der Zähler, falls der Rotor sich mit einer ersten Geschwindigkeit dreht (z. B. einer relativ niedrigen Geschwindigkeit) relativ selten zurückgesetzt und somit wird die maximale Zählung des Zählers 61 relativ hoch sein. Falls die Winkelgeschwindigkeit des Rotors zu einer zweiten Geschwindigkeit zunimmt, wird der Zähler 61 häufiger zurückgesetzt und somit wird die maximale Ausgabe des Zählers 61 relativ niedrig sein. Im allgemeinen wird die Ausgabe des Zählers 61 ein Achtbit-Maximalzählwert sein, der invers mit der Geschwindigkeit des Motors korrespondiert. Die Maximalausgabe des Zählers 61 kann dem programmierbaren Teiler 62 zur Verfügung gestellt werden als Antwort auf einen Puls im zweiten Satz von digitalen Signalen, der durch den Kodierer 42 bereitgestellt wird.

Die Achtbit-Digitalausgabe von dem Vorwärtazähler 61 wird am Steuereingang eines programmierbaren Teilers 62 angelegt. Der programmierbare Teiler 62 empfängt als seinen Taktgebereingang den Systemtakt. Wie Fachleute erkennen werden, besitzt der programmierbare Teil 62 eine standardgemäße Konstruktion und liefert ein Ausgabetaktsignal, das eine Frequenz aufweist, die ein Bruchteil der Frequenz des Signals ist, die an seinem Taktgeber angelegt ist. In der Ausführungsform der Fig. 6a-6b ist der programmierbare Teiler von dem Typ, bei dem die Ausgabetaktfrequenz gleich der Eingabetaktfrequenz dividiert durch die Anzahl, die durch das Achtbit-Digitalwort, das an dem Steuereingang erhalten wird, dargestellt wird, ist. Entsprechend liefert der programmierbare Teiler 62 ein Hochfrequenz-Digitaltaktsignal (HF clock), das eine Frequenz aufweist, die sich proportional mit der Frequenz der digitalen Pulse ändert, die den zweiten Satz von Signalen von dem Kodierer 42 umfassen. Da sich die Frequenz der digitalen Pulse, die den zweiten Satz von Signalen von dem Kodierer 42 umfassen, proportional mit der Geschwindigkeit des Motors ändert, weist das HF-Taktsignal eine Frequenz auf, die sich proportional mit der Geschwindigkeit des Motors ändert. Obwohl nicht in den Fig. 6a-6b gezeigt, kann die Anzahl von Bits des Vorwärtszählers 61 in Ausführungsformen, wo die Frequenz des geteilten Systemtakts so ist, daß der Vorwärtszähler 61 wahrscheinlich zwischen aufeinanderfolgenden Taktpulsen von dem Kodierer 42 überfließen würde, entsprechend erhöht sein.

Fig. 6b zeigt eine Schaltungsanordnung zur Verwirklichung des Frequenzvervielfachers 44, wenn der erste Satz von Signalen 42a vom Kodierer 42 dem Frequenzvervielfacher 44 bereitgestellt wird. Die Schaltungsanordnung der Fig. 6b funktioniert in einer ähnlichen Weise zu der, die oben mit Bezug auf die Fig. 6a beschrieben ist, mit der Ausnahme, daß der Zähler 61 jedesmal zurückgesetzt wird, wenn sich der Rotor durch ein Drehinkrement dreht, wie dies durch die Signale 42a widergespiegelt wird.

Die logische Schaltungsanordnung 64 überwacht die Signale 42a und stellt einen Taktpuls jedesmal bereit, wenn die den Satz 42a umfassenden Signale den Zustand ändert. Wenn die Schaltung aus Fig. 6b verwendet wird, ist die Hochauflösungspulsfolge 42b vom Kodierer 42 für einen funktionierenden Motorantrieb nicht notwendig. In derartigen Ausführungsformen könnte ein einfacher Rotorpositionsübertrager (RPT), der nur eine Pulsfolge bereitstellt, verwendet werden.

Noch einmal bezugnehmend auf Fig. 4 wird das Hochfrequenztaktsignal vom Frequenzvervielfacher 44 an eine. Winkelsteuerschaltung 46 und eine Zerhackungssteuerschaltung 47 angelegt. Im allgemeinen antworten die Winkelsteuerschaltung 46 und die Zerhackungssteuerschaltung 47 auf HFclock und die Signale von dem Kodierer 42, um Schaltsignale für die Energievorrichtungen bereitzustellen. Die Zerhackungssteuerung 47 kann bei relativ niedrigen Winkelgeschwindig keiten verwendet werden, wenn Zerhackungsmethoden zur Steuerung des Stroms in den Phasenwicklungen effektiv sind, und die Winkelsteuerung 46 kann eingesetzt werden, wenn die Geschwindigkeit des Motors relativ hoch ist und die Zerhackungssteuerung uneffektiv ist. Im allgemeinen erhalten die Winkelsteuerung 46 und die Zerhackungssteuerung 47 digitale Rotorpositionssignale, die von dem Kodierer 42 stammen, und sie vergleichen die Rotorpositionssignale von dem Kodierer 42 mit Signalen, die Anschalt- und Abschaltwinkeln für die gewünschten Betriebsbedingungen entsprechen. Wenn die geeignete Steuerung bestimmt, daß der Rotor bei einer Position ist, die einem Anschaltwinkel entspricht, wird ein Schaltsignal für die geeignete Energieeinrichtung erzeugt, um die geeignete Phasenwicklung zu erregen. Wenn die Rotorpositionssignale, die von dem Kodierer 42 stammen, anzeigen, daß der Rotor bei einer Position ist, die dem Abschaltwinkel entspricht, erzeugt die geeignete Steuerung ein Schaltsignal, um die passende Schaltvorrichtung abzuschalten und die entsprechende Phasenwicklung abzuregen. Falls die Zerhacksteuerung verwendet wird, kann die Steuerung 47 Zerhacksignale innerhalb der Zeitspanne erzeugen, die durch die Anschalt- und Abschaltwinkel definiert sind, um den Strom in der Phasenwicklung zu steuern. Diese Techniken sind Fachleuten auf dem Gebiet von geschalteten Reluktanzantrieben gut bekannt.

In der Ausführungsform der Fig. 4 wird die Anschalt- und Abschaltinformation durch ein Steuerregelregister 48 bereitgestellt, das als seine Eingänge Signale beinhaltet, die die Drehanforderung und tatsächliche Geschwindigkeit des Motors darstellen. In der Ausführungsform der Fig. 4 kann das Steuerregelregister 48 ein Nachschlagregister umfassen, das eine vorinterpolierte Matrix in einem EPROM beinhaltet, das die geeigneten Anschalt- und Abschaltdaten für einige Geschwindigkeits-/Drehmoment-Anforderungskombinationen enthält. Diese Anschalt- und Abschaltdaten können empirisch abgeleitet oder berechnet sein. Alternative Ausführungsformen kann man sich vorstellen, bei denen das Steuerregelregister 48 eine dünnbesetzte Matrix und einen Mikroprozessor umfaßt, oder eine anwendungsspezifizierte integrierte Schaltung (ASIC) wird verwendet, um den geeigneten Anschalt- und Abschaltwinkel in Echtzeit zu berechnen.

Fig. 7a illustriert im allgemeinen ein Beispiel der Schaltungsanordnung, die verwendet werden kann, um die Winkelsteuerung 46 der Fig. 4 zu verwirklichen. Wie in Fig. 7a gezeigt ist, kann die Winkelsteuerung 46 einen Achtbit- Vorwärtszähler 70 umfassen, der an seinem Takteingang die HF-Taktsignale, die oben in Verbindung mit Fig. 6 diskutiert wurden, empfängt. Wie angedeutet, umfaßt das HF-Taktsignal eine Serie von Taktpulsen, die mit einer Frequenz auftreten, die proportional zur Winkelgeschwindigkeit des Rotors ist. Der Rücksetzeingang des Vorwärtszählers 70 ist mit der Pulsfolge 51a gekoppelt.

Bezugnehmend auf Fig. 7a wird der Achtbit-Zähler 70 jedesmal zurückgesetzt, wenn eine Flanke in der Pulsfolge 51a auftritt. In der Ausführungsform der Fig. 7a wird der Vorwärtszähler 70 bei jeder ansteigenden Flanke zurückgesetzt, obwohl in anderen Ausführungsformen der Zähler 70 bei einer fallenden Flanke zurückgesetzt werden kann. Da der Zähler 70 an einem Punkt entsprechend einer absoluten Position eines Rotorpols relativ zu einem Statorpol zurückgesetzt wird, und da der Zähler 70 mit einem HF-Taktsignal getaktet wird, das im Verhältnis zur Geschwindigkeit des Rotors verändert wird, wird die laufende Ausgabe des Vorwärtszählers 70 ein digitales Wort sein, das mit der Zeit zunimmt, wobei der Wert des digitalen Wortes der Position des Rotors entspricht. Dies ist im allgemeinen durch das Winkelsteueranstiegssignal der Fig. 7b dargestellt.

Bezugnehmend auf Fig. 7b wird die Ausgabe des Vorwärtszählers 70 durch den Winkelsteueranstieg dargestellt. Wie Fig. 7b anzeigt, wird der Zähler 70 zum Zeitpunkt T&sub0; eine ansteigende Flanke des Signals 51a erhalten. Diese ansteigende Flanke wird den Zähler 70 zurücksetzen, so daß seine Ausgabe auf 0 herabgesetzt wird. Wie oben diskutiert, zeigt das Auftreten dieser ansteigenden Flanke, daß ein Rotorpol eine absolute Position relativ zu einem Statorpol erreicht hat. Nachdem der Zähler 70 zurückgesetzt ist, wird seine Ausgabe als Antwort auf jeden HF- Taktpuls bis zum nächsten Aufteten einer steigenden Flanke von der Pulsfolge 51a zum Zeitpunkt T4 zunehmen. Da der HF-Taktpuls mit einer Rate auftritt, die proportional zur Geschwindigkeit des Rotors ist, wird die Ausgabe des Zählers 70 mit der Position des Rotors korrespondieren.

Noch einmal bezugnehmend zu Fig. 7a kann die digitale Ausgabe von dem Zähler 70, die der Rotorposition entspricht, verwendet werden, um Schaltsignale oder Auslösesignale zu erzeugen, um die Energievorrichtungen zu steuern, um die interessierenden Phasenwicklungen zu erregen oder abzuregen. Insbesondere wird in Fig. 7a ein Achtbit-Vergleicher 72 verwendet, um zu ermitteln, wann der Rotor den Anschaltwinkel erreicht hat, so daß die geeignete Schaltvorrichtung angeschaltet werden kann. Wie in der Fig. 7a dargestellt, empfängt der Vergleicher 72 an seinem A-Eingang ein Achtbit-Wort von dem Steuerregelregister 48 entsprechend dem gewünschten Anschaltpunkt. Der Vergleicher 72 empfängt an seinem B-Eingang die laufende Ausgabe von dem Zähler 70. In der Ausführungsform der Fig. 7a liefert der Vergleicher 72 eine logisch hohe Ausgabe, wenn immer seine A- Eingabe seine B-Eingabe übersteigt. Entsprechend wird die Ausgabe des Vergleichers 72 ein hoher Logikpegel ("1") sein, wenn immer das Signal entsprechend dem gewünschten Anschaltwinkel die laufende Ausgabe des Zählers 70 übersteigt, und ein niedriger Logikpegel ("0") zu all den anderen Zeiten. Dieses Signal wird durch einen Inverter 73 umgekehrt, um ein digitales Signal bereitzustellen, das ein hoher Logikpegel ist, wenn immer die laufende Ausgabe des Zählers 70 das Signal, das den Anschaltwinkel darstellt, übersteigt.

In ähnlicher Weise empfängt der Vergleicher 74 an seinem A-Eingang ein digitales Wort von dem Steuerregelregister 48 entsprechend dem gewünschten Abschaltwinkel und an seinem B-Eingang die laufende Ausgabe des Zählers 70. Wie der Vergleicher 72 erzeugt der Vergleicher 74 ein Ausgabesignal, das ein hoher Logikpegel ("1") ist, wenn immer das Wort an seiner A-Eingabe das Wort an seiner B- Eingabe übersteigt. Entsprechend wird der Vergleicher 74 ein digitales Signal erzeugen, das ein niedriger Logikpegel (0) ist, wenn immer die Ausgabe des Zählers 70 das Signal übersteigt, das dem Abschaltwinkel entspricht.

Die umgekehrte Ausgabe des Vergleichers 72 und die Ausgabe des Vergleichers 74 werden beide an das AND-Gatter 75 angelegt. Entsprechend wird das AND-Gatter 75 ein digitales Signal bereitstellen, das nur ein hoher Logikpegel ist, wenn die laufende Ausgabe von dem Zähler 70 größer ist als das Signal, das den Anschaltwinkel darstellt und geringer ist als das Signal, das den Abschaltwinkel darstellt. Dieses Ausgabesignal von dem AND-Gatter 75 kann dann verwendet werden, um die Erregung einer geeigneten Phasenwicklung durch eine in Fig. 7a nicht gezeigte Schaltungsanordnung zu steuern. Der allgemeine Betrieb des Vergleichers 72 und 74 und des AND-Gatters 75 ist in Fig. 7b dargestellt, wo die Ausgabe von dem AND-Gatter 75 eine Serie von Pulsen darstellt, die verwendet werden können, um die Erregung der Maschine zu steuern.

Wie Fachleute erkennen werden, ist das beispielhafte Steuersystem der Fig. 7a von grundlegender Art und enthält keine Schaltungsanordnung zur Verwirklichung komplizierterer Steuerfunktionen, wie Freilauf. Solche zusätzlichen Funktionen können einfach zu der Schaltung aus Fig. 7a zugefügt werden (z. B. durch Hinzufügen eines anderen Vergleichers), ohne den Bereich der beigefügten Ansprüche zu verlassen. Darüber hinaus illustriert Fig. 7a die Steuerschaltungsanordnung für nur eine einzelne Phase. Die Schaltungsanordnung wird im allgemeinen für jede Phase des Motors wiederholt und eine zusätzliche Schaltungsanordnung (nicht gezeigt) ist im allgemeinen erforderlich, um die Flanke zu verändern, die die Winkelsteueranstieg vom Zurückgesetztsein bei einer ansteigenden Flanke zum Zurückgesetztsein bei einer fallenden Flanke zurücksetzt, wenn der Antrieb vom Anlaufen zum Leistungsbetrieb voranschreitet. Beispielsweise könnte die Schaltungsanordnung aus Fig. 7a wiederholt werden, wobei der Vorwärtszähler 70 von der Pulsfolge von entweder dem Sensor 51b oder 51c zurückgesetzt wird.

Techniken und Schaltungsanordnung zum Erweitern der Steuerung aus Fig. 7a auf Multi-Phasenmotoren sind für Durchschnittsfachleute mit der Kenntnis dieser Offenbarung offensichtlich. Ferner stellt die Steuerschaltung aus Fig. 7a im allgemeinen eine Winkelsteuerung dar. Die Steuerung könnte modifiziert werden, um eine Zerhackschaltung zu beinhalten, die den tatsächlichen Strom in der Phasenwicklung mit einem gewünschten Strom während des Intervalls zwischen dem Anschalt- und Abschaltwinkel vergleicht und den Phasenstrom zerhackt, wenn immer der tatsächliche Strom den gewünschten Strom erreicht oder überschreitet.

Die Steuerung aus Fig. 4 ermöglicht die effektive Steuerung einer geschalteten Reluktanzmaschine ohne kostenaufwendige absolute Positionskodierer oder teuere Verarbeitungsschaltungsanordnungen. Entsprechend liefert die Steuerung der vorliegenden Erfindung, wie durch Fig. 4 dargestellt, ein kostengünstiges, effizientes Steuersystem.

Zusätzlich zur Bereitstellung der relativ effizienten kostengünstigen Steuerung nach Fig. 4 erlauben das System der vorliegenden Erfindung und insbesondere der Gebrauch eines Kodierers, der einen ersten Satz von Signalen einer ersten Auflösung und einen zweiten Satz von Signalen einer zweiten Auflösung bereitstellt, den Gebrauch einer neuartigen Sensorausfall-Ermittlungsschaltung, um irgendwelche Ausfälle der Sensorvorrichtungen 51a-c und 52a-b zu ermitteln.

Im allgemeinen empfängt die Sensorausfall-Ermittlungsschaltung der vorliegenden Erfindung Positionssignale mit einer ersten Auflösung von einem ersten Satz von zumindest einem Positionssensor und Positionssignale mit einer zweiten Auflösung von einem zweiten Satz von zumindest einem Positionssensor. Die Ermittlungsschaltung überwacht die Positionssignale von dem ersten Satz von zumindest einem Positionssensor und von dem zweiten Satz von zumindest einem Positionssensor und ermittelt einen Positionssensorausfall durch Analysieren der Beziehung zwischen den Positionssignalen mit der ersten Auflösung und den Po sitionssignalen mit der zweiten Auflösung. Fig. 8 zeigt ein Beispiel einer Ausführungsform der Sensorausfall-Ermittlungsschaltungsanordnung der vorliegenden Erfindung für eine Drehrichtung. Wie oben diskutiert, empfängt die Sensorausfall- Ermittlungsschaltung 150 als seine Eingabe den ersten Satz von Ausgaben 42a der Sensoren 51a-c des Kodierers 42 und den zweiten Satz von Ausgaben 42b von den Sensoren 52a-b des Kodierers 42.

Die Sensorausfall-Ermittlungsschaltungsanordnung empfängt den zweiten Satz von Ausgaben von den Sensoren 52a-b des Kodierers 42 als zwei Eingaben zu einem Inkrementdetektor 80, der bestimmt, ob sich der Rotor ein vorbestimmtes Hochauflösungs-Drehinkrement gedreht hat. In dieser Ausführungsform beinhaltet der Inkrementdetektor 80 ein XOR-Gatter 82, das einen Puls bereitstellt, der den Zustand jedesmal ändert, wenn die Ausgaben von den Sensoren 52a-b anzeigen, daß der Rotor sich durch ein vorbestimmtes Hochauflösungsinkrement gedreht hat. Das Ausgabesignal von dem XOR-Gatter 82 taktet einen Vorwärts- /Rückwärtszähler 83. Auf diese Weise verfolgt der Vorwärts-/Rückwärtszähler 83 die Anzahl der Hochauflösungs-Drehinkremente für den Rotor, die seit dem Rücksetzen des Zählers 83 aufgetreten sind. Der zweite Satz von Ausgangssignalen von Sensoren 52a-b des Kodierers 42 werden ebenso in einen Richtungsdetektor 84 eingegeben, der die Drehrichtung für den Rotor bestimmt, und die Ausgabe des Richtungsdetektors 84 wird am Vorwärts-/Rückwärtseingang des Vorwärts- /Rückwärtszählers 83 bereitgestellt und steuert die Zählrichtung.

Die Sensorausfall-Ermittlungsschaltung aus Fig. 8 bestimmt, ob ein Fehler in irgendeinem der Sensoren 51a-c oder 52a-b aufgetreten ist, indem die Anzahl von Hochauflösungsinkrementen, die zwischen jedem Zustandswechsel der Niedrigauflösungssensoren 51a-c auftreten, überwacht werden. Entsprechend wird in der Ausführungsform der Fig. 8 ein Dekodierer 85 vorgesehen. Der Dekodierer 85 aus Fig. 8 stellt einen digitalen Puls bereit, der eine Dauer aufweist, die durch nacheinander folgende Wechsel im Zustand der Ausgaben der Sensoren 51a-c de finiert wird. Die Ausgabe von dem Dekodierer 85 wird als eine Eingabe zu einem Puffer 86 geliefert, der an seinem Q-Ausgang die Ausgabe des Dekodierers 85 widerspiegelt und das Komplementäre der Ausgabe des Dekodierers 85 an seinem Q- Ausgang bereitstellt.

Der Q-Ausgang des Puffers 86 wird an den Rücksetzeingang des Vorwärts- /Rückwärtszählers 83 angelegt und wird verwendet den Zähler jedesmal, wenn ein Wechsel im Zustand der Ausgänge der Sensoren 51a-c auftritt, der einen hohen Logikpegelausgang von dem Dekodierer 85 erzeugt, zurückzusetzen. Der Zähler wird dann vorwärts (oder rückwärts) zählen, und eine laufende Ausgabe, die die akkumulierte Anzahl von Hochauflösungs-Drehinkrementen für den Rotor darstellt, bereitstellen. Die Vergleicher 87 und 89 empfangen die laufende Zählung von dem Zähler 83 und vergleichen sie mit vorbestimmten Werten, die einen Bereich von Hochauflösungs-Drehinkrementen für den Rotor darstellen, die zwischen aufeinanderfolgenden Wechseln in den Ausgaben der Sensoren 51a-c erwartet werden, wenn alle Sensoren richtig arbeiten. In der Ausführungsform der Fig. 8 sind diese Werte 4 und 6. Diese Werte sind ausgewählt, da jedes Hochauflösungsinkrement, wenn die Sensoren 51a und 52b richtig arbeiten, den Inkrementdetektor 80 veranlasst, ein Flankenanstiegssignal zu erzeugen. Da die Flanke eines Niedrigauflösungspulses nicht notwenigerweise mit einer Flanke eines Hochauflösungspulses ausgerichtet ist (in der Praxis ist die Ausrichtung durch die relativen Positionen der Zähne des Flügels 50 und der Sensoren bestimmt), wird die Anzahl der Hochauflösungspulse, die während eines Niedrigauflösungspulses auftreten, während des korrekten Betriebs des Antriebs variieren. In dieser Ausführungsform wird sie zwischen 4 und 6 variieren. Der Vergleicher 87 vergleicht die digitalen Worte an seinen Eingängen und erzeugt einen hohen Logikpegelausgang, wenn immer die Zählung von dem Zähler 83 niedriger ist als der erwartete niedrigere Wert (d. h. in dieser Ausführungsform 4 Pulse). Ähnlich erzeugt der Vergleicher 89 einen hohen Logikpegel, falls die Anzahl der Pulse oberhalb des oberen Wertes ist (d. h. in dieser Ausführungsform 6 Pulse).

Beim nächsten Zustandswechsel des ersten Satzes von Ausgaben von dem Kodierer 42 (d. h. den Ausgaben von den Sensoren 51a-c) wird die Ausgabe von dem Detektor 85 zu einem niedrigen Logikpegel absinken und die Latches 88 und 90 auslösen, die die Ausgabe der Vergleicher 87 bzw. 89 aufschalten. Falls die Ausgabe entweder des Vergleichers 87 oder 89 ein hoher Logikpegel ist, (der anzeigt, daß die Anzahl von Hochauflösungspulsen außerhalb des erwarteten Bereichs ist, d. h. alle Sensoren nicht betriebsbereit), wird der hohe Logikpegelausgang von entweder dem Vergleicher 87 oder 89 in einen Latches 88 oder 90 eingeklinkt, um ein Fehlersignal zu erzeugen. Falls die Ausgabe des Zählers 83 innerhalb des erwarteten Bereichs liegt, erzeugen die Vergleicher 87 und 89 beide ein niedriges Logikpegelsignal, das auf die Latche 88 und 90 aufgegeben wird, um ein Signal zu erzeugen, das anzeigt, daß die Sensoren richtig funktionieren.

Fig. 9 zeigt ein beispielhaftes Zeitdiagramm für die Sensorausfall- Ermittlungsschaltung aus Fig. 5, die die Positionssignale von dem Positionskodierer aus den Fig. 5a-c für eine 22,5º-Winkeldrehung des Rotors und somit eine 22,5º-Drehung des Schalenflügels 50 empfängt. Das Signal 52a stellt das Positionssignal von dem Positionssensor 52a des Kodierers 42 dar und Signal 52b stellt das Positionssignal von dem Positionssensor 52b dar. Das Signal unterhalb 52a und 52b stellt die Ausgabe des XOR-Gatters 82 dar. Die Ausgaben von den Sensoren 51a, 51b und 51c sind unterhalb der der 52a, 52b und der Ausgabe des XOR- Gatters 82 dargestellt. In der besonderen Ausführungsform, die oben beschrieben ist, haben die Signale von den Sensoren 52a und 52b eine höhere Auflösung als die Signale von den Sensoren 51a bis 51c. Wie aus dem Zeitdiagramm aus Fig. 9 entnommen werden kann, tritt der erste Zustandswechsel der Ausgaben der Sensoren 51a-51c zu einem Zeitpunt P&sub0; auf, bei dem die Ausgabe vom Sensor 51a von einem niedrigen Logikpegel zu einem hohen Logikpegel wechselt. Der Zustandswechsel verursacht, daß die Ausgabe von dem Dekodierer 85 von einem niedrigen Logikpegel zu einem hohen Logikpegel wechselt und, wie in Fig. 9 dargestellt, entsprechend verursacht, daß die Q-Ausgabe des Puffers 86 vom niedrigen Logikpegel zum hohen Logikpegel wechselt. Dies wird den Zähler 83 zurücksetzen, wie durch den Zählerausgabemitschrieb in Fig. 9 gezeigt. Zu diesem Zeitpunkt wird die Ausgabe des Vergleichers 87 ein hoher Logikpegel sein, da die Ausgabe des Zählers 83 niedriger ist als der untere erwartete Wert.

Nachdem das Rückstellsignal den Zähler 83 zum Zeitpunkt P0 zurücksetzt, wird der Zähler durch die Ausgabe des XOR-Gatters 82 getaktet, wobei die Anzahl der Hochauflösungsdrehinkremente ab dem Zurücksetzen gezählt wird. Zu dem Zeitpunkt, bei dem der Zähler 83 vier Taktpulse erreicht hat, wird seine Ausgabe vier sein und die Ausgabe des Vergleichers 87 wird auf den niedrigen Logikpegel abfallen.

Zu einem Zeitpunkt P1 findet ein weiterer Zustandswechsel für die Ausgaben der Sensoren 51a-c statt, wenn die Ausgabe des Sensors 51c vom hohen Logikpegel zum niedrigen Logikpegel absinkt. Zu diesem Zeitpunkt nimmt die Q-Ausgabe des Puffers 86 zum niedrigen Logikpegel ab, und der Wechsel in der Q-Ausgabe des Puffers 86 klinkt die Ausgabe des Vergleicher 87 in den Latch 88 ein, um ein Fehlersignal bereitzustellen. Da in diesem Beispiel zu dem Zeitpunkt, an dem die Ausgabe des Vergleichers 87 ein niedriger Logikpegel ist, ist das eingeklinkte FAULT- Signal ein Niedriglogikpegel, der den richtigen Betrieb der Sensoren anzeigt.

Die Wellenformen vom Zeitpunkt P&sub1; bis P&sub3; zeigen, wie die Schaltungsanordnung aus Fig. 8 verwendet werden kann, um einen Sensorfehler zu ermitteln. In dem Beispiel aus Fig. 9 wird angenommen, daß der Sensor 52b ausgefallen ist, so daß seine Ausgabe immer ein niedriger Logikpegel ist. Zu dem Zeitpunkt Ps tritt der nächste Zustandswechsel der Ausgaben der Sensoren 51a-c auf und der Zähler 83 wird zurückgesetzt. Wie vorher, wird der Zähler mit der Ausgabe des XOR-Gatters 82 getaktet. In diesem Beispiel wird die Ausgabe des XOR-Gatters 82 der Ausgabe des Sensors 53a folgen, da die Ausgabe des Sensors 52b immer ein niedriger Lo gikpegel ist. Entsprechend wird der Zähler 83 zu dem Zeitpunkt, bei dem der nächste Zustandswechsel in den Ausgaben der Sensoren 51a-c zum Zeitpunkt Ps auftritt und die Ausgabe des Vergleichers 87 zu dem Fehlersignal aufgeschaltet wird, weniger als vier Taktpulse empfangen haben. Da somit die Ausgabe des Zählers 83 niedriger sein wird als der erwartete niedrige Wert, wird die hohe Logikpegelausgabe des Vergleichers 87 auf das Fehlersignal aufgeschaltet, das einen Sensorfehler anzeigt.

Die Steuerschaltungsanordnung (nicht gezeigt) kann die Ausgabe der Sensorfehler-Ermittlungsschaltungsanordnung überwachen, um zu bestimmen, wenn ein Sensorfehler aufgetreten ist. Nach dem Auftreten eines Sensorfehlers kann die Steuerschaltungsanordnung den Betrieb des Antriebs stoppen, zu einem Hilfspositionierablauf schalten oder eine Art von Fehlerermittlungsmaßnahme durchführen.

Obwohl das obige Beispiel einen Fehler im Sensor 52b betrifft, kann durch eine Analyse der Schaltung aus Fig. 8 festgestellt werden, daß ein Fehler in irgendeinem von den anderen Sensoren 51a-c und 52a ebenfalls ein Fehlersignal erzeugt, das anzeigt, daß ein Sensorfehler aufgetreten ist.

Ferner sind, obwohl die Ausführungsform der Fig. 8 die Sensorausfall- Ermittlungsschaltung darstellt, einzelne und separate Komponenten umfassend, Ausführungsformen denkbar, wo die Schaltungsanordnung die gleiche Schaltungsanordnung verwendet, die in anderen Teilen der Schaltung verwendet wird. Beispielsweise ist es möglich, die Steuerung der Fig. 4 mit der Sensorausfall- Ermittlungsschaltungsanordnung der Fig. 8 zu kombinieren, so daß dieselbe Schaltungsanordnung für die Inkrementdetektoren 61 und 80 verwendet wird. Weiterhin sind alternative Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung denkbar, bei denen ein geeignet programmierter Mikroprozessor verwendet wird, um die allgemeinen Funktionen auszuführen, die durch die Schaltungsanordnung der Fig. 8 ausgeführt werden. Die Fig. 10 und 11 zeigen eine derartige Ausführungsform.

Fig. 10 zeigt allgemein eine andere Ausführungsform einer Sensorausfall- Ermittlungsschaltung, bei welcher ein programmierter Mikroprozessor oder Mikrocontroller 126 einen ersten Satz von Positionssignalen 128 mit einer ersten Auflösung und einen zweiten Satz von Positionssignalen 130 mit einer zweiten Auflösung empfängt. Die Schaltungsanordnung 126 überwacht die Sätze von Eingangssignalen 130 und 128 und liefert ein Fehlersignal auf die Leitung 132 nach dem Auftreten eines Positionssensorfehlers. Die Sensorausfall- Ermittlungsschaltung 126 kann eine anwendungsspezifizierte integrierte Schaltung (ASIC) enthalten, die bestimmt, ob die Beziehung zwischen den Positionssignalen 128 und 130 konsistent ist mit dem normalen Positionssensorbetrieb. Alternativ kann die Sensorausfall-Ermittlungsschaltung 126 einen Mikroprozessor beinhalten, auf dem eine geeignete Software läuft, sowie irgendeinen Speicher, der zum Speichern und Vergleichen der Positionssignale von den Sätzen von Positionssensoren erforderlich ist.

Fig. 11 zeigt ein allgemeines Flußdiagramm, das den Betrieb der Sensorausfall- Ermittlungsschaltung 126 darstellt. Bei Schritt 134 bestimmt die Ermittlungsschaltung 126, ob die Positionssignale 130 von dem zweiten Satz von Positionssensoren 52a-52b anzeigen, daß der Rotor sich um ein Hochauflösungsinkrement bewegt hat. Wenn die Positionssignale 130 eine derartige Bewegung anzeigen, bestimmt die Ermittlungsschaltung 126 als nächstes bei Schritt 136, ob der Rotor sich vorwärts oder rückwärts bewegt. Falls der Rotor sich rückwärts bewegt, wird bei Schritt 138 eine COUNT-Variable um Eins reduziert, und falls der Rotor sich vorwärts bewegt, wird die COUNT-Variable bei Schritt 140 um Eins erhöht. Als nächstes bestimmt die Ermittlungsschaltung 126 bei Schritt 142 von den Positionssignalen 128 von dem ersten Satz von Positionssensoren 51a-c, ob ein Zustandswechsel in den Positionssignalen 128 aufgetreten ist. Falls nicht, kehrt die Ermittlungsschaltung 126 zu Schritt 134 zurück. Falls ja, vergleicht die Ermittlungsschaltung 126 bei Schritt 144 den gespeicherten Wert in der COUNT- Variablen mit einem erwarteten Wert, der die Anzahl von Inkrementen darstellt, die durch die Positionssignale 130 innerhalb eines Zustandswechsels der Positionssignale 128 angezeigt werden. Falls COUNT außerhalb des erwarteten Bereichs ist, dann ist ein Positionssensorfehler aufgetreten. Aber falls COUNT innerhalb des erwarteten Bereichs ist, dann wird die COUNT-Variable bei Schritt 148 zurückgesetzt und die Ermittlungsschaltung 126 kehrt zu Schritt 134 zurück.

Weitere alternative Ausführungsformen, die zwei inkrementelle Kodierer mit unterschiedlichen Auflösungen oder zwei absolute Kodierer mit verschiedenen Auflösungen verwenden, sind denkbar. Darüber hinaus wird der Durchschnittsfachmann, obwohl die obigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung eine Logikschaltung, eine ASIC oder einen Mikroprozessor beinhalten, verstehen, daß die vorliegende Erfindung durch einen geeigneten programmierten Mikrocontroller, eine spezifische Logikschaltung oder eine analoge Schaltungsanordnung ausgeführt werden kann.

Obwohl die Erfindung in Bezug auf Rotationsmaschinen beschrieben wurde, ist es dem Fachmann klar, daß dieselben Betriebsprinzipien auf einen linearen Positionskodierer mit gleichem Effekt angewandt werden können. Beispielsweise ist es dem Fachmann bewußt, daß eine Reluktanzmaschine (genauso wie mit anderen Typen von elektrischen Maschinen) als ein Linearmotor konstruiert werden kann. Das bewegliche Element eines Linearmotors wird in der Technik wie ein Rotor verwendet. Die Bezeichnung "Rotor", die hier benutzt wird, soll das bewegliche Element eines Linearmotors ebenfalls mit einschließen.

Entsprechend können die Prinzipien der vorliegenden Erfindung, die mittels der obigen Beispiele und Diskussion offenbart worden sind, durch die Verwendung verschiedener Schaltungstypen und Anordnungen verwirklicht werden. Der Fachmann wird einfach erkennen, daß diese und verschiedene andere Modifikationen und Abänderungen bei der vorliegenden Erfindung gemacht werden können, ohne strikt der beispielhaften Anwendung zu folgen, die hier dargestellt und beschrieben ist, und ohne den Bereich der vorliegenden Erfindung zu verlassen, der in den nachfolgenden Ansprüchen dargelegt ist.


Anspruch[de]

1. Positionskodierer für eine variable Reluktanzmaschine mit einem Element (50), das einen ersten Satz von Kennmarken (53), die angeordnet sind, um erste Ausgangssignale mit einer ersten Auflösung zu erzeugen, sowie einen zweiten Satz von Kennmarken (56) aufweist, die angeordnet sind, um zweite Ausgangssignale mit einer zweiten Auflösung zu erzeugen, mit einer ersten Sensoreinrichtung (51a-c), die angeordnet ist, um durch die relative Bewegung zwischen der ersten Sensoreinrichtung und dem ersten Satz von Kennmarken beeinflußt zu werden, um die ersten Ausgangssignale zu erzeugen, die indikativ für die Bewegung sind, mit einer zweiten Sensoreinrichtung (52a, 52b), die angeordnet ist, um durch die relative Bewegung zwischen der zweiten Sensoreinrichtung und dem zweiten Satz von Kennmarken beeinflußt zu werden, um die zweiten Ausgangssignale zu erzeugen, die indikativ für die Bewegung sind, sowie mit einer Analyseeinrichtung (126, 150) zum Vergleich der ersten und zweiten Ausgangssignale, um zu bestimmen, ob entweder im ersten oder zweiten Ausgangssignal der Sensoreinrichtung ein Fehler vorliegt.

2. Kodierer nach Anspruch 1, bei welchem die ersten und zweiten Sätze von Kennmarken angeordnet sind, um die erste und zweite Sensoreinrichtung zu beeinflussen, um digitale Ausgaben in Übereinstimmung mit den jeweiligen ersten und zweiten Auflösungen zu erzeugen.

3. Kodierer nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem die Analyseeinrichtung (150) eine Zähleinrichtung (83) zum Zählen der Übergänge der zweiten Ausgangssignalen im Intervall zwischen den Übergängen der ersten Ausgangssignale und eine Einrichtung (85-90) zum Anzeigen eines Fehlerzustandes beinhal tet, wenn die Zählung der Übergänge der zweiten Ausgangssignale außerhalb eines vorbestimmten Bereichs liegt.

4. Kodierer nach Anspruch 3, bei welchem die Anzeigeeinrichtung eine Grenzwerteinrichtung (89) beinhaltet, die auf die Ausgabe des Zählers (83) reagiert, die über einem vorbestimmten Wert liegt.

5. Kodierer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei welchem die erste und zweite Sensoreinrichtung angeordnet ist, um durch das Element beeinflußt zu werden, wenn das Element sich dreht.

6. Kodierer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei welchem die zweite Auflösung ein ganzzahliges Vielfaches der ersten Auflösung ist.

7. Kodierer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die erste und zweite Sensoreinrichtung so angeordnet sind, daß Wechsel in den ersten Ausgangssignalen im wesentlichen mit ausgewählten zweiten Ausgangssignalen übereinstimmend sind.

8. Kodierer nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei welchem die ersten (53) und zweiten (56) Kennmarken auf dem Element erste und zweite Zähne umfassen, wobei die erste (51a-c) und zweite (52a, 52b) Sensoreinrichtung auf das Vorbeilaufen dieser reagieren.

9. Kodierer nach Anspruch 8, bei welchem die Sensoreinrichtungen optische Sensoren sind, wobei die ersten und zweiten Zähne lichtundurchlässige und lichtdurchlässige Bereiche definieren.

10. Rotorpositionskodierer nach einem der Ansprüche 1 bis 9, in welchem die erste Sensoreinrichtung (51a-c) drei Positionssensoren umfaßt und in welchem die zweite Sensoreinrichtung (52a, b) zwei Positionssensoren umfaßt.

11. Rotorpositionskodierer nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einem Dekodierer (85), gekoppelt um die ersten Ausgangssignale (51a-c) aufzunehmen, wobei der Dekodierer ein erstes Dekodiersignal erzeugt, das den Zustand bei einem wechselnden Zustand der ersten Ausgangssignale ändert;

mit einem Inkrementdetektor (80), gekoppelt um die zweiten Ausgangssignale (52a, b) aufzunehmen, wobei der Inkrementdetektor ein zweites Detektorsignal erzeugt, das den Zustand bei einem wechselnden Zustand des zweiten Satzes von Signalen ändert;

mit einem Zäbler (83), gekoppelt um die ersten und zweiten Ausgangssignale aufzunehmen, in welchem der Zähler als Antwort auf einen Zustandswechsel des ersten Ausgangssignals (51a-c) zurückgesetzt wird, und in welchem die Ausgabe des Zählers inkrementell als Antwort auf einen Zustandswechsel des zweiten Ausgangssignal (82% b) verändert wird;

mit einem ersten Vergleicher (87), gekoppelt um die Ausgabe des Zählers (83) und ein Signal entsprechend einem niedrigeren, vorbestimmten Wert aufzunehmen, wobei der erste Vergleicher eine Ausgabe erzeugt, die einen ersten Zustand aufweist, wenn die Ausgabe des Zählers geringer ist als der niedrigere vorbestimmte Wert; und mit einer Einrichtung (88, 90) zur Überwachung der Ausgabe des ersten Vergleichers und Anzeige eines Versagens des Rotorpositionskodierers, wenn die Ausgabe des ersten Vergleichers (87) sich in einem ersten Zustand befindet, wenn ein Zustandswechsel des ersten Satzes von Signalen (51a-c) stattfindet.

12. Rotorpositionskodierer nach Anspruch 11, bei welchem der Inkrementdetektor (80) einen ausschließlichen ODER Durchgang (82) umfaßt.

13. Rotorpositionskodierer nach Anspruch 11 oder 12, der weiterhin umfaßt: einen zweiten Vergleicher (89), gekoppelt um die Ausgabe des Zählers (83) und ein Signal aufzunehmen, das einem oberen vorbestimmten Wert entspricht, wobei der zweite Vergleicher eine Ausgabe erzeugt, die einen ersten Zustand aufweist, wenn die Ausgabe des Zählers größer ist als der obere vorbestimmte Wert.

14. Rotorpositionskodierer nach Anspruch 13, bei welchem die Einrichtung (88, 90) zur Überwachung der Ausgabe des ersten Vergleichers (87) eine Einrichtung (90) zur Überwachung der Ausgabe des zweiten Vergleichers (89) und zur Anzeige eines Versagens des Kodierers beinhaltet, wenn die Ausgabe entweder des ersten Vergleichers oder des zweiten Vergleichers sich in dem ersten Zustand befindet, wenn ein Wechsel im Zustand der ersten Ausgangssignale stattfindet.

15. Rotorpositionskodierer nach einem der Ansprüche 11 bis 14, bei welchem die Ausgabe des Zählers (83) als Antwort auf einen Zustandswechsel des zweiten Ausgangssignals (52% b) inkrementiert wird.

16. Rotorpositionskodierer nach einem der Ansprüche 11-15, bei welchem die Einrichtung zur Überwachung der Ausgabe des Vergleichers ein Latch (88, 90) umfaßt, das die Ausgabe des Vergleichers (87, 89) aufnimmt, wobei das Latch als Antwort auf einen Zustandswechsel des ersten Ausgangssignals (51a-c) ausgelöst wird.







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