AT510251B1 - Verfahren zur regelung eines asynchronmotors - Google Patents

Abstract

Verfahren zur feldorientierten Regelung von Asynchronmaschinen (1) zur Einstellung eines Drehmoment-Sollwerts durch Bestimmung eines Sollstromwerts aus dem Magnetfluss des Rotors der Asynchronmaschine (1), wobei der Magnetfluss durch Multiplikation des Rotorstromes mit der Rotorinduktivität und anschließender Verzögerung erster Ordnung mit der Rotorzeitkonstanten ermittelt wird. Erfindungsgemäß ist hierbei vorgesehen, dass vor Ermittlung des Magnetflusses aus dem Rotorstrom dem Rotorstrom ein schlupfabhängiger Korrekturstromwert (K) addiert wird, der ausgehend von einem Maximalwert bei verschwindendem Schlupf als linear abfallende Funktion der Schlupffrequenz gegeben ist. Die Funktion wird etwa so gewählt, dass der Maximalwert des Korrekturstromwertes (K) einem der Remanenz der Asynchronmaschine (1) äquivalenten Stromwert entspricht, und der Korrekturstromwert ab dem Bereich der Schlupfgrenze der Asynchronmaschine (1) den Wert Null annimmt.

Description

Beschreibung [0001] Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur feldorientierten Regelung von Asynchronmaschinen zur Einstellung eines Drehmoment-Sollwerts, gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.

[0002] Geregelte elektrische Asynchronmaschinen werden in vielen Antriebsaufgaben eingesetzt. Diese Maschinen werden mit Frequenzumrichtem mit Kennliniensteuerung, sofern die dynamischen Anforderungen gering sind, oder mit feldorientierten Regelungen und an den Motor angebauten Drehgebem oder Resolvem betrieben, wenn die Anforderungen an die Dynamik hoch sind. Insbesondere bei hochdynamisch betriebenen Asynchronmaschinen hat sich die feldorientierte Regelung, häufig auch mit „Vector Control" bezeichnet, im Stand der Technik als überlegenes Regelverfahren erwiesen. Das Grundproblem der Feldorientierung ist dabei die Bestimmung des Raumzeigers des magnetischen Flusses in der Asynchronmaschine. Hierbei wurde zunächst noch versucht, den magnetischen Fluss in der Maschine direkt, z.B. mittels Halbleitersensoren, zu messen. Mit dem Aufkommen leistungsfähiger Microcontroller und Signalprozessoren wurde es jedoch möglich, die analog nur schwer lösbare Aufgabe der Koordinatentransformation und die stark nichtlinearen Flussmodelle auf Basis der Rotorgleichung digital in Echtzeit zu lösen.

[0003] Verfahren zur Messung des magnetischen Flusses wurden etwa in der DE 69210191 T2 und im Artikel von Dong Seong OH et al. "A new slip gain adaptation algorithm for indirect field-oriented drive systems" in IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 38, No. 4, 01.08.1991, Seiten 303-307, beschrieben.

[0004] Für die Anwendung der feldorientierten Regelung bei der Asynchronmaschine wird zunächst der Motorstrom zumeist in zwei der drei Phasen der Asynchronmaschine erfasst, und daraus ein Istwert des Stromvektors gebildet, der von einem Steuer- und Regelverfahren in der Steuereinheit des Umrichters der Asynchronmaschine verwendet wird. Die Steuereinheit ermittelt mithilfe eines Drehgebers und des so genannten Strommodells in weiterer Folge den magnetischen Fluss des Rotors, im Folgenden auch als Rotorfluss bezeichnet. Die Bestimmung des magnetischen Flusses erfolgt durch Multiplikation des Rotorstromes mit der Rotorinduktivität und anschließender Verzögerung erster Ordnung mit der Rotorzeitkonstanten, etwa mithilfe eines PT1 -Gliedes. In der Steuereinheit des Umrichters werden hierfür auch die Motorkennwerte gespeichert, oder gegebenenfalls selbsttätig ermittelt und adaptiert. Anhand der Größe und Phasenlage des rückgeführten, zur Regelung genutzten Istwertes des Stator-Stromvektors können daher abgesehen vom Rotorfluss auch andere Motorzustände, etwa Drehzahl, Schlupf, Rotorstrom oder Drehmoment ermittelt werden.

[0005] Da sich das Drehmoment aus dem Kreuzprodukt von magnetischem Fluss und Rotorstrom errechnet, kann mithilfe des Rotorflusses ein gewünschtes Drehmoment nun dadurch eingestellt werden, indem eine Stromkomponente rechtwinkelig auf dieses modellbasierte Magnetfeld eingestellt wird, wobei sich der Sollwert dieser Stromkomponente aus dem gewünschten Drehmoment durch einfache Division ergibt. Die Sollwerte der momentanen Blind- und Wirkstromkomponenten werden in weiterer Folge etwa mithilfe von Stromreglern eingestellt.

[0006] Diese Vorgangsweise der feldorientierten Regelung hat den Vorteil, dass keine separate Drehmomentmessung und-rückführung benötigt wird, um das Drehmoment der Asynchronmaschine zu regeln. Allerdings ist eine möglichst präzise Kenntnis des magnetischen Flusses erforderlich. Hierfür wird in herkömmlicher Weise im Rahmen eines so genannten ursachenbasierten Modells lediglich die Strominformation herangezogen, also aus dem Strom als Ursache des magnetischen Flusses der magnetische Fluss errechnet.

[0007] Es zeigt sich aber nun bei der feldorientierten Regelung von Drehstrommotoren, dass ein Regelungsverfahren gemäß dem Stand der Technik in bestimmten Arbeitsbereichen mitunter zu ungenügenden Ergebnissen führt. Das ist darauf zurückzuführen, dass der magnetische Fluss gemäß der oben beschriebenen Vorgangsweise auf Basis der Strominformation nur unzureichend beschrieben wird, da der magnetische Fluss auch durch materialbedingte Effekte beeinflusst wird. Da der ermittelte magnetische Fluss somit mit Ungenauigkeiten behaftet ist, ist auch das Drehmoment mit entsprechenden Ungenauigkeiten behaftet. Daher ist eine solche Regelung für Aufgaben ungeeignet, die exakt oder möglichst genau einstellbare Werte des Drehmoments erfordern.

[0008] Es ist daher das Ziel der Erfindung, Verfahren zur feldorientierten Regelung von Asynchronmaschinen zur Einstellung eines Drehmoment-Sollwerts so zu verbessern, dass eine genauere Steuerung des Drehmoments ermöglicht wird.

[0009] Dieses Ziel wird durch die Merkmale von Anspruch 1 erreicht. Anspruch 1 bezieht sich auf ein Verfahren zur feldorientierten Regelung von Asynchronmaschinen zur Einstellung eines Drehmoment-Sollwerts durch Bestimmung eines Sollstromwerts aus dem Magnetfluss des Rotors der Asynchronmaschine, wobei der Magnetfluss durch Multiplikation des Rotorstromes mit der Rotorinduktivität und anschließender Verzögerung erster Ordnung mit der Rotorzeitkonstanten ermittelt wird. Erfindungsgemäß ist hierbei vorgesehen, dass vor Ermittlung des Magnetflusses aus dem Rotorstrom dem Rotorstrom ein schlupfabhängiger Korrekturstromwert addiertwird, der ausgehend von einem Maximalwert bei verschwindendem Schlupf als linear abfallende Funktion der Schlupffrequenz gegeben ist.

[0010] Erfindungsgemäß wird somit versucht, die Genauigkeit der Ermittlung des magnetischen Flusses zu verbessern, indem die materialbedingten Einflüsse auf den magnetischen Fluss mithilfe eines Korrekturstromwertes berücksichtigt werden. Die materialbedingten Einflüsse wirken sich jedoch bei unterschiedlichen Drehmomenten unterschiedlich stark aus, insbesondere sind bei kleinen Drehmomenten größere Auswirkungen der materialbedingten Veränderungen des magnetischen Flusses zu beobachten. Dadurch ist bei kleinen Drehmomenten der relative Fehler am größten. Erfindungsgemäß wird dieser Sachverhalt berücksichtigt, indem der Korrekturstromwert modellgemäß in Abhängigkeit von der Schlupffrequenz gebracht wird, und zwar beginnend von einem Maximalwert bei verschwindendem Schlupf als linear abfallende Funktion.

[0011] Bei Asynchronmotoren läuft die Rotationsfrequenz des Rotors stets der Frequenz des Erregerfeldes des Stators hinterher, sodass die Rotationsfrequenz geringer als die Erregerfrequenz ist. Der Unterschied zwischen diesen beiden Frequenzen wird Schlupffrequenz oder Schlupf genannt, diese ist lastabhängig. Die Schlupffrequenz ist dabei über die wohlbekannten Gleichungen der Asynchronmaschine vom Drehmoment abhängig.

[0012] Die genaue Wahl des Maximalwertes des Korrekturstromwertes, sowie dessen Verlauf über den Wertebereich der Schlupffrequenz von 0 bis 1 könnten empirisch, oder aufgrund geeigneter Modellbetrachtungen rechnerisch erfolgen. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird vorgeschlagen, den Korrekturstromwert über die Remanenz der Asynchronmaschine zu modellieren, indem der Maximalwert des Korrekturstromwertes einem der Remanenz der Asynchronmaschine äquivalenten Stromwert entspricht, und der Korrekturstromwert ab dem Bereich der Schlupfgrenze der Asynchronmaschine den Wert Null annimmt. Die Remanenz ist eine materialabhängige Konstante, die aus der Hysterese der Asynchronmaschine ermittelt werden kann und somit bekannt ist. Die Remanenz ist ferner eine Magnetflussdichte, die somit in einen magnetischen Fluss umgerechnet werden kann. Da das Magnetfeld außerdem durch den Rotorstrom multipliziert mit der Hauptfeldreluktanz gegeben ist, kann die Remanenz in einen Stromwert umgerechnet werden, der erfindungsgemäß als Maximalwert des Korrekturstromwertes bei verschwindendem Schlupf herangezogen wird. Dieser Maximalwert wird im Folgenden auch als Startremanenzstrom bezeichnet.

[0013] Die Schlupfgrenze ist eine Kennzahl der Asynchronmaschine, die seitens des Herstellers zur Festlegung des optimalen Arbeitsbereiches festgelegt wird, und somit ebenfalls bekannt ist. Die Schlupfgrenze wird dabei geringfügig unterhalb der Kippschlupffrequenz gewählt. Die erfindungsgemäß vorgeschlagene, lineare Funktion des Korrekturstromwertes erstreckt sich somit lediglich entlang des üblichen Arbeitsbereiches der Asynchronmaschine, bei dem zwischen verschwindendem Schlupf und der Kippschlupffrequenz eine annähernd lineare Abhän- gigkeit zwischen Drehmoment und Schlupffrequenz gegeben ist.

[0014] Die Erfindung wird im Folgenden anhand bevorzugter Ausführungsformen mithilfe der beiliegenden Figuren näher erläutert. Es zeigen hierbei die [0015] Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau einer feldorientierten Regelung gemäß dem bekannten

Stand der Technik, [0016] Fig. 2 eine schematische Darstellung des so genannten Strommodells im rotorfesten

Koordinatensystem gemäß dem bekannten Stand der Technik, [0017] Fig. 3 ein Beispiel einer Flysterese einer 2-poligen Asynchronmaschine mit normierten

Zahlenangaben und einer vergrößerten Darstellung des Ursprungs mit darin ersichtlicher Koerzitivfeldstärke und Remanenz, [0018] Fig. 4 eine Darstellung der erfindungsgemäß vorgesehenen Funktion der Korrektur stromwerte in Abhängigkeit von der Schlupffrequenz, [0019] Fig. 5 eine Darstellung zur Berechnung der Komponenten des Korrekturstromwertes mithilfe des Flusswinkels, [0020] Fig. 6 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäß erweiterten Strommodells als Vergleich zur Fig. 2, und die [0021] Fig. 7 den prinzipiellen Aufbau einer feldorientierten Regelung gemäß der Fig. 1, wobei in der unteren linken Abbildung der Fig. 7 der bekannte Stand der Technik wiedergegeben ist, und in der unteren rechten Abbildung die erfindungsgemäße Vorgangsweise zur Gegenüberstellung.

[0022] Zunächst wird auf die Fig. 1 Bezug genommen, die den prinzipiellen Aufbau einer feldorientierten Regelung gemäß dem bekannten Stand der Technik für eine Asynchronmaschine 1 mit einem Umrichter 2 zeigt. Bei der Asynchronmaschine 1 wird zunächst ein Istwert des Stromvektors gebildet, der einer Steuereinheit 3 des Umrichters 2 der Asynchronmaschine 1 zugeführt wird. Die Steuereinheit 3 ermittelt mithilfe eines so genannten Strommodells in weiterer Folge den Rotorstrom, sowie den magnetischen Fluss des Rotors, im Folgenden auch als Rotorfluss bezeichnet. Selbstredend wird hierfür mit den bei Drehfeldern üblichen Zeigerdarstellungen gearbeitet, sodass es sich bei den Strömen mathematisch um Stromzeiger, sowie beim Rotorfluss um Rotorflusszeiger handelt, die jeweils über Real- und Imaginärteile verfügen. Im Folgenden wird aber mitunter vereinfachend von Strom- und Flusswerten gesprochen.

[0023] Der ermittelte Rotorfluss wird dem Stromsollwertgeber 4 zugeführt, der einen Sollwert für den Statorstromzeiger gemäß einem vorgegebenen Drehmoment-Sollwert ermittelt. Da sich das Drehmoment aus dem Kreuzprodukt von magnetischem Fluss und Rotorstrom errechnet, kann der Sollwert dieser Stromkomponente aus dem gewünschten Drehmoment durch einfache Division, errechnet werden. Über einen nicht dargestellten Subtrahierer wird die Abweichung des tatsächlichen Statorstromzeigers vom Sollwert des Statorstromzeigers bestimmt und einem ebenfalls nicht dargestellten Stromregler zugeführt. Der Stromregler wird als Standard-Regler, wie aus dem Stand der Technik bekannte Pl-Phasenstromregler oder dergleichen, ausgeführt.

[0024] Wie in der Fig. 2 schematisch dargestellt ist, erfolgt die Bestimmung des magnetischen Flusses in der Steuereinheit 3 im Wesentlichen durch Multiplikation des Rotorstromes mit der Rotorinduktivität LR und anschließender Verzögerung erster Ordnung mit der Rotorzeitkonstanten mithilfe eines Verzögerungsglieds 5, bei dem es sich etwa um ein PT1-Glied handeln kann. Die in der Fig. 2 ersichtliche Größe LR ist dabei die Rotorinduktivität bezogen auf die Statorseite.

[0025] Wie bereits erwähnt wurde, werden bei einer solchen Vorgangsweise gemäß dem bekannten Stand der Technik nur jene Magnetfeldteile berücksichtigt, die auf der Grundlage des Stromes basieren. Materialbedingte Einflüsse können auf diese Weise jedoch nicht ausreichend beschrieben werden, sodass das eingestellte Drehmoment der Asynchronmaschine 1 vom gewünschten Wert abweichen kann. Bei Abwesenheit einer Drehmomentmesseinrichtung, wie in vielen Anwendungen üblich, kann daher keine Regelung für die Kontrolle und Wiederherstellung des gewünschten Drehmomentwertes vorgesehen werden.

[0026] Erfindungsgemäß wird somit versucht, die Genauigkeit der Drehmomenteinstellung über präzisere Ermittlung des magnetischen Flusses zu verbessern, indem die materialbedingten Einflüsse auf den magnetischen Fluss mithilfe eines Korrekturstromwertes K berücksichtigt werden. Dieser Korrekturstromwert K wird über die Remanenz der Asynchronmaschine modelliert, und wird daher im Folgenden auch als „Remanenzstrom" bezeichnet. Die Remanenz ist eine materialabhängige Konstante, die aus der Hysterese der Asynchronmaschine ermittelt werden kann und somit bekannt ist. In der Fig. 3 ist ein Beispiel einer Hysterese einer 2-poligen Asynchronmaschine mit einer vergrößerten Darstellung des Ursprungs mit darin ersichtlicher Koerzitivfeldstärke und Remanenz gezeigt. Die Remanenz ist eine Magnetflussdichte, die somit in einen magnetischen Fluss, sowie in einen Stromwert umgerechnet werden kann. Dieser Stromwert wird im Folgenden auch als Startremanenzstrom bezeichnet.

[0027] Der Startremanenzstrom wird in weiterer Folge zur Ermittlung der Korrekturstromwerte K herangezogen, wie anhand der Fig. 4 erläutert wird. Die Fig. 4 zeigt ein Koordinatensystem, auf dessen horizontaler Achse die Schlupffrequenz s aufgetragen wird, und auf der vertikalen Achse die Korrekturstromwerte K. Erfindungsgemäß wird ein Korrekturstromwert K modelliert, der ausgehend vom Startremanenzstrom bei verschwindendem Schlupf als linear abfallende Funktion der Schlupffrequenz s gegeben ist. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist die lineare Funktion der Korrekturstromwerte K dabei so gewählt, dass sie bei der Schlupfgrenze s der Asynchronmaschine den Wert Null erreicht, und diesen Wert für den verbleibenden Wertebereich des Schlupfes beibehält. Diese lineare Funktion wird analog auch für den negativen Wertebereich der Schlupffrequenz s angenommen. Für jedes Drehmoment des Asynchronmotors kann somit die entsprechende Schlupffrequenz s ermittelt, und aus der Funktion gemäß der Fig. 4 der entsprechende Korrekturstromwert K bestimmt werden.

[0028] Da es sich bei den Stromwerten um komplexe Zeiger handelt, muss auch der Korrekturstromwert K in eine komplexe Größe umgewandelt werden. Dieser Vorgang ist in der Fig. 5 dargestellt. Die Berechnung von Real- und Imaginärteil des Korrekturstromwertes K (in der Fig. 5 als „Remanenzstrom" bezeichnet) erfolgt mithilfe des Flusswinkels, der sich wiederum aus dem Arcus-Tangens des Quotienten des Imaginär- und Realteiles des Rotorflusses ergibt.

[0029] Die so ermittelten Korrekturstromwerte K werden in weiterer Folge vor Ermittlung des Magnetflusses aus dem Rotorstrom zum Rotorstrom addiert, wie aus der Fig. 6 ersichtlich ist. Hierbei wird zum Realteil des Ist-Stromwertes der Realteil des Korrekturstromwertes K (in der Fig. 6 als „Remanenzstrom" bezeichnet) addiert, und durch Multiplikation des so erhaltenen Gesamtrotorstromes mit der Rotorinduktivität LR und anschließender Verzögerung erster Ordnung mit der Rotorzeitkonstanten mithilfe des Verzögerungsglieds 5 der magnetische Fluss ermittelt. In analoger Weise wird beim jeweiligen Imaginärteil vorgegangen. Dieser Vorgang erfolgt in der Steuereinheit 3.

[0030] Der auf diese Weise verbesserte Wert für den magnetischen Fluss wird dem Stromsollwertgeber 4 zugeführt, der nun einen genaueren Sollwert für den Statorstromzeiger gemäß dem vorgegebenen Drehmoment-Sollwert ermittelt.

[0031] In der Fig. 7 wird der bekannte Stand der Technik der Erfindung gegenübergestellt. Die Fig. 7 zeigt zunächst denselben Aufbau wie die Fig. 1, wobei die erfindungsgemäße Verbesserung in der Steuereinheit 3 verwirklicht wird. Wie aus der unteren rechten Abbildung der Fig. 7 ersichtlich ist, werden in der Magnetfeldberechnung erfindungsgemäß neben dem Strom als Ursache des Magnetfeldes über die Remanenz nun auch materialbedingte Effekte berücksichtigt. Diese Berücksichtigung ermöglicht eine exaktere Berechnung des momentenbildenden Stromes, ohne auf eine Drehmomentenregelung zurückgreifen zu müssen. Auf diese Weise kann eine höhere Genauigkeit der Drehmomentensteuerung erzielt werden.

Claims (2)

1. Patentansprüche 1. Verfahren zur feldorientierten Regelung von Asynchronmaschinen (1) zur Einstellung eines Drehmoment-Sollwerts durch Bestimmung eines Sollstromwerts aus dem Magnetfluss des Rotors der Asynchronmaschine (1), wobei der Magnetfluss durch Multiplikation des Rotorstromes mit der Rotorinduktivität und anschließender Verzögerung erster Ordnung mit der Rotorzeitkonstanten ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass vor Ermittlung des Magnetflusses aus dem Rotorstrom dem Rotorstrom ein schlupfabhängiger Korrekturstromwert (K) addiert wird, der ausgehend von einem Maximalwert bei verschwindendem Schlupf als linear abfallende Funktion der Schlupffrequenz gegeben ist.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Maximalwert des Korrek-turstromwertes (K) einem der Remanenz der Asynchronmaschine (1) äquivalenten Stromwert entspricht, und der Korrekturstromwert (K) ab dem Bereich der Schlupfgrenze der Asynchronmaschine (1) den Wert Null annimmt. Hierzu 5 Blatt Zeichnungen