DE10007120B4

DE10007120B4 - Stromregelung permanenterregter Synchronmotoren für Lenkflugkörper mit elektromechanischem Ruderstellantrieb

Info

Publication number: DE10007120B4
Application number: DE10007120A
Authority: DE
Inventors: Bernhard Dr.-Ing. Frenzel; Fridbert Dipl.-Ing.(FH) Kilger
Original assignee: LFK Lenkflugkoerpersysteme GmbH
Current assignee: MBDA Deutschland GmbH
Priority date: 2000-02-17
Filing date: 2000-02-17
Publication date: 2007-04-12
Anticipated expiration: 2020-02-18
Also published as: GB0101594D0; US6448734B1; FR2805414B1; FR2805414A1; DE10007120A1; GB2363865A; GB2363865B; US20020047680A1

Abstract

Stromregelung permanenterregter Synchronmotoren für Lenkflugkörper mit elektromechanischem Ruderstellantrieb, dadurch gekennzeichnet, daß der kommandierte Strom i_R immer dadurch orthogonal zum Polradfluß geführt wird, daß
a) in einem polaren auf den Läufer bezogenen Koordinatensystem aus dem Meßstrom zweier Strangströme i_1M und i_2M der Betrag des Stromraumzeigers i_AM

bestimmt und der Betragsfehler des Stromes δiA= |iR|– iAM über einen Korrekturregler (9) auf den Betragssollwert |i_R| addiert wird und daß
b) aus dem Meßstrom zweier Strangströme i_1M und i_2M sowie aus dem Winkelkommando ε_C des kommandierten Stromraumzeigers i_R ein Maß für den Winkelfehler

bestimmt und über einen Korrekturregler (9) auf den Winkelsollwert ε_C addiert wird, wobei der Winkelsollwertε_C eine Totzeitkorrektur ε_T beinhalted und die Berechnung der Totzeitkorrektur über einen vorgebbaren Parameter KCD01, eine Polpaarzahl Z_P und eine Änderung eines Polradlagewinkels γ_M gemäß:

erfolgt und wobei mittels einer EMK-Aufschaltung (UA1C, UA2C, UA3C) auf den Strangstromregler (3) eine EMK-Kompensation erfolgt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Stromregelung nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 ( DE 136 35 847 C2 ).

In modernen Lenkflugkörpern werden durch steigende Anforderungen an Dynamik, Gewicht sowie Volumen in vermehrtem Maße elektromechanische Ruderstellsysteme verwendet. Als Stellmotor werden permanenterregte Synchronmaschinen unter Verwendung von Hochenergiemagneten eingesetzt. Der Grund dafür ist deren geringes axiales Massenträgheitsmoment, die weitgehende Verschleißfreiheit sowie deren hohe Energiedichte. Die Krafteinleitung in das Ruder erfolgt aus Platzgründen und aufgrund des geringen axialen Massenträgheitsmomentes der Anordnung über einen Rollenspindelabtrieb, wobei die Spindel selbst direkt mit dem Läufer der Maschine starr verbunden ist. Eine derartige Vorrichtung ist in DE 196 35 847 C2 ausführlich beschrieben.

Aufgrund der Übersetzungsverhältnisse zwischen Maschine und Ruder folgt die Forderung nach einem Hochfrequenzspindelantrieb geringen Bauvolumens. Die Aufgabe besteht somit darin, ein Stromregelverfahren mit optimalem Führungs- und Störverhalten anzugeben, das eine maximale Ausnutzung der Maschine bei hohen Drehzahlen sowie einen miniaturisierten Antrieb mit hohen Drehbeschleunigungen ergibt.

Hierzu muß zu einem gegebenen Betrag des kommandierten Ankerstromes die Phasenlage des eingeprägten Maschinenstromes derart korrigiert werden, daß das von der Maschine entwickelte Drehmoment maximal wird. Das Verfahren muß trotz äußerer Störeinflüsse eine robuste Kompensation des Phasenganges bei hohen Drehzahlen durchführen. Bei der Realisierung auf einem Microprozessor ist der Rechenzeitbedarf des Verfahrens sowie die Anforderungen an die Abtastzeit des Regelalgorithmus möglichst gering zu halten.

Aus EP 0474 629 B1 ist bereits eine Stromregelung für einen Synchronmotor in einem polaren, auf den Läufer bezogenen Koordinatensystem bekannt, bei der aus dem Messstrom zweier Strangströme (i_Rx, i_Sx) der Betrag des Stromraumzeigers |i_X| bestimmt und der Betragsfehler des Stromes |i_W| – |i_X| über einen Korrekturregler 42 auf den Betragssollwert |i_W| aufaddiert wird, wobei aus dem Messstrom der Strangströme (i_Rx, i_Sx) über den arcustangens der Winkel ε_X sowie aus dem Winkelkommando ε_W des Strommraumzeigers ein Maß für den Winkelfehler ε_W – ε_X bestimmt und über einen Korrekturregler 44 auf den Winkelsollwert ε_W addiert wird.

Aus DE 197 25 136 A1 ist ferner eine feldorientierte Stromregelung für einen Synchronmotor bekannt, bei der eine Fehlorientierung der Rotorlage über den gemessenen Wert der d-Komponente (Feldkomponente mit Vorgabewert 0) kompensiert wird.

Gemäß der Erfindung wird bei dem eingangs erwähnten Ruderantrieb eine signifikante Verbesserung der Strommregelungsdynamik durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruches aufgeführten Maßnahmen erreicht. Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung, in der sie anhand der Zeichnung erläutert wird. Es zeigen
1 ein Blockschaltbild des Regelkreises zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
2 eine detaillierte Darstellung des Blockes "polare Strom/Spannungskommandos" in 1,
3 das Funktionsschaubild des Korrekturreglers in 1, und
4 das Funktionsschaubild des Strangstromreglers in 1.
Das erfindungsgemäße Stromregelverfahren bewirkt, daß der kommandierte Strom i_R zur maximalen Drehmomentbildung orthogonal zum Polradfluß geführt wird. Gerechnet wird in einem polaren Koordinatensystem bezüglich des Läufers (feldorientierte Regelung).
Ein Blockschaltbild des Regelkreises mit einer Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens zeigt 1.
Der permanenterregte Synchronmotor 11 wird bei einer konkreten Ausführung des Stromregelverfahrens mit einem Stellglied 4 eingangsseitig verbunden. Das Stellglied selbst besteht aus einem Gleichspannungs- Zwischenkreisumrichter 6, der von einem Pulsweitenmodulator 5 angesteuert wird. Zur Messung der Polradlage wird ein Resolver 10 starr mit der Welle 12 der Synchronmaschine 11 gekoppelt. Der Polradlagewinkel γ_M wird in der Gebersignalaufbereitung 8 mit
berechnet.
Die Umrechnung des Stromkommandos sowie der EMK-Kompensation erfolgt in Block 1 „polare Strom-/Spannungskommandos". Ein Funktionsschaubild des Blockes 1 zeigt 2.
Der Betrag i_AC und der Winkel ε_C des kommandierten Stromes i_R wird berechnet aus: iAC = |iR| (2)
Hierbei ist ε_T der Winkel zur Totzeitkorrektur bei digitaler Realisierung des Verfahrens; Z_P die Polpaarzahl des Synchronmotors und γ_EL der elektrische Polradwinkel:
γEL = ZP·γM (5)
Die Spannung u_AC und der Winkel ρ_C bilden zusammen die berechnete Gegen-EMK des Synchronmotors:
Die Strangstromsollwerte des Dreiphasensystems werden nach Korrektur des Betrages und der Phase im Block 2/1 "Strangstromsollwerte" berechnet: i1C = iAK·cos(εK) (8)
Der Betrag i_AK und der Winkel ε_K ergeben sich durch Addition der kommandierten Größen mit den Ausgangsgrößen des Korrekturreglers 9/nach 1: iAK = iAC + δiK (11) εK = εC + δεK (12)
Die Darstellung der Gegen-EMK im Dreiphasensystem ist: uA1C = uAC·cos(ρC) (13)
Der Strombetragskorrekturwert δi_K und der Stromwinkelkorrekturwert δε_K sind im Korrekturregler 9/1 die Ausgangsgrößen zweier PI-Regler, ein Funktionsschaubild zeigt 3.
Der Strombetragsfehler δi_A und der Winkelfehler iδε in 3 werden im Block 7/1 „Polare Strommeßwerte/Fehler" bestimmt. Hierzu wird aus den Strangstrommeßwerten i_1M und i_2M der Betrag des gemessenen Raumstromzeigers i_AM gebildet: iXS = i1M (16)
Der Betragsfehler des Stromes ergibt sich dann zu: δiA = iAC – iAM (19)
Als Maß für den Winkelfehler wird der Anteil i_D des Meßstromes i_AM in Längsrichtung bezüglich der Polradachse verwendet. Es wird darauf hingewiesen, daß eine direkte Berechnung des Winkels ε_M des Meßstromes zum einen durch die Berechnung aus der atan2-Funktion in der Regel zu rechenzeitintensiv ist. Weiterhin versagt die Berechnung für den Fall i_AM = 0, da in diesem Fall der Winkel ε_M unbestimmt ist. Es ergibt sich also: iδε = iXS·sin(εC) – iYS·cos(εC) (20)
Der in Gleichung (20) berechnete Wert entspricht im übrigen iδε = iD·sign(iR) = iAM·sin(εC – εM))
Das Funktionsschaubild des Strangstromreglers 3/1 zeigt 4. Die Verstärkungen K1 und K2 in 4 sind so einzustellen, daß bei festgespanntem Läufer des Synchronmotors 11/1 der Meßstrom i_AM dem kommandierten Strom i_R bei sprung-förmigem Verlauf von i_R asymptotisch folgt. Daraus bestimmt sich die Verstärkung K2 zu:
In 4 bezeichnet R_W den Ohmschen Widerstand eines Stranges der Maschine 11/1.
Die kommandierten Strangspannungen nach 4 ergeben sich aus: u1C = uA1C + RW·K1·(i1C – K2·i1M) (22) u2C = uA2C + RW·K1·(i2C – K2·i2M) (23) u3C = uA3C + RW·K1·(i3C – K2·i3M) (24)
Das Verfahren gemäß der Erfindung ist mit geringem Hardwareaufwand und geringem Bauvolumen auch für hohe Drehzahlen > 10000 min^–1 realisierbar. Bisherige Stromregelverfahren mit Frequenzgangkompensation in Polarkoordinaten sind nicht auf Synchronmotoren anwendbar, d.h. eine explizite Bestimmung des Winkels des Raumstromzeigers versagt für den Fall eines verschwindenden Meßstromes.

Claims

Stromregelung permanenterregter Synchronmotoren für Lenkflugkörper mit elektromechanischem Ruderstellantrieb, dadurch gekennzeichnet, daß der kommandierte Strom i_R immer dadurch orthogonal zum Polradfluß geführt wird, daß a) in einem polaren auf den Läufer bezogenen Koordinatensystem aus dem Meßstrom zweier Strangströme i_1M und i_2M der Betrag des Stromraumzeigers i_AM
bestimmt und der Betragsfehler des Stromes δiA= |iR|– iAM über einen Korrekturregler (9) auf den Betragssollwert |i_R| addiert wird und daß b) aus dem Meßstrom zweier Strangströme i_1M und i_2M sowie aus dem Winkelkommando ε_C des kommandierten Stromraumzeigers i_R ein Maß für den Winkelfehler
bestimmt und über einen Korrekturregler (9) auf den Winkelsollwert ε_C addiert wird, wobei der Winkelsollwertε_C eine Totzeitkorrektur ε_T beinhalted und die Berechnung der Totzeitkorrektur über einen vorgebbaren Parameter KCD01, eine Polpaarzahl Z_P und eine Änderung eines Polradlagewinkels γ_M gemäß:
erfolgt und wobei mittels einer EMK-Aufschaltung (UA1C, UA2C, UA3C) auf den Strangstromregler (3) eine EMK-Kompensation erfolgt.