DE10114293B3

DE10114293B3 - Verfahren zum Betreiben einer Drehfeldmaschine

Info

Publication number: DE10114293B3
Application number: DE10114293A
Authority: DE
Inventors: Peter Aicher
Original assignee: Berger Lahr GmbH and Co KG
Current assignee: Schneider Electric Automation GmbH
Priority date: 2001-03-23
Filing date: 2001-03-23
Publication date: 2004-04-29
Anticipated expiration: 2021-03-24

Abstract

Bei einem Verfahren zum Betreiben einer Drehfeldmaschine (2), die eine etwa sinusförmig von der Rotorlage abhängige Induktivität aufweist, wird zum Erzeugen eines Drehfeldes an die Wicklungen der Drehfeldmaschine (2) ein Drehspannungssignal angelegt, das aus einem Steuersignal und einem höherfrequenten Anregungssignal zusammengesetzt ist. Das Steuersignal hat eine der Drehzahl des Rotors entsprechende Frequenz. Durch Messung der Strangströme wird ein Statorstromraumzeiger ermittelt und es wird ein auf das Anregungssignal zurückzuführender Stromraumzeiger aus dem Strommeßsignal herausgefiltert. Der Stromraumzeiger wird mittels eines die Frequenz des Anregungssignals aufweisenden Drehoperators transformiert und danach zum Herausfiltern einer von der doppelten Differenz aus Rotorwinkel und Winkelfrequenz des Anregungssignals abhängigen Signalkomponente hoch- oder bandpaßgefiltert. Das so ermittelte Nutzsignal wird zum Herausfiltern einer vom Rotorwinkel abhängigen Signalkomponente mittels eines weiteren Drehoperators, der die doppelte Frequenz des Anregungssignals aufweist, rücktransformiert. Ein Rotor-Lagesignal wird durch Bildung des Arcus-Tangens aus dem Quotient von Real- und Imaginärteil dieses rücktransformierten Signals ermittelt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Drehfeldmaschine, deren Wicklungen eine etwa sinusförmig von der Lage des Rotors relativ zum Stator abhängige Induktivität aufweisen, wobei zum Erzeugen eines Drehfeldes an die Wicklungen ein Drehspannungssignal angelegt wird, das aus einem eine der Relativgeschwindigkeit zwischen Rotor und Stator entsprechende Frequenz aufweisenden Steuersignal und einem diesem überlagerten höherfrequenten Anregungssignal zusammengesetzt ist, wobei durch Messung der Strangströme ein Statorstromraumzeiger ermittelt wird, aus dem ein auf das Anregungssignal zurückzuführender Stromraumzeiger herausgefiltert wird, und wobei aus diesem Stromraumzeiger ein die Rotorlage repräsentierendes Lagesignal ermittelt wird. Dabei wird unter einer Drehfeldmaschine sowohl ein Elektromotor in rotatorischer als auch ein Elektromotor in translatorischer Bauweise verstanden.

Ein derartiges Verfahren ist aus dem Aufsatz "Sensorless Position Control of Induction Motors – an Emerging Technology" von Joachim Holtz, IEEE AMC '98 – COIMBRA (1998) bekannt. Bei diesem Verfahren wird mittels eines Pulsweitenmodulators aus einer Gleichspannung ein Drehspannungssignal erzeugt, das die Wicklungen einer Drehfeldmaschine speist. Das Drehspannungssignal wird durch additive Mischung eines Steuersignals mit einem Anregungssignal gebildet, welches eine wesentlich größere Frequenz aufweist als das Steuersignal, so dass diese Signale spektral voneinander trennbar sind. Die Frequenz des Steuersignals wird entsprechend der Relativdrehzahl zwischen Rotor und Stator gewählt, so dass die Drehbewegung des Rotors dem durch das Steuersignal an den Rotorwicklungen erzeugten magnetischen Drehfeld folgt. Die Wicklungsströme werden gemessen, wobei die Drehzahl der Drehfeldmaschine so klein eingestellt wird, dass der aufgrund der Relativbewegung zwischen Rotor und Stator in den Wicklungen induzierte Wicklungsspannungsanteil gegenüber dem durch das Anregungssignal bewirkten Wicklungsspannungsanteil vernachlässigbar ist. Aus dem so ermittelten Statorstromraumzeiger wird der durch das Anregungssignal bewirkte Stromraumzeiger zur Weiterverarbeitung mittels eines Bandpaßfilters herausgefiltert. Dieser Stromraumzeiger weist im wesentlichen zwei Signalanteile auf, von denen der Raumzeiger des einen in positive und derjenige des anderen Signalanteils in negative Richtung dreht. Die Frequenz des zuletzt genannten Signalanteils entspricht der Summe aus der Frequenz des Anregungssignals und der doppelten Rotationsfrequenz des Rotors. Der Signalanteil mit dem in negativer Richtung drehenden Raumzeiger wird einem Phase-Locked-Loop-Kreis (PLL-Kreis) zugeführt, dessen Ausgangssignal auf die vom doppelten Rotorwinkel abhängige Komponente des Signalanteils synchronisiert. Um dies zu erreichen, wird mittels eines Modells für die rotorwinkelabhängige Induktivitätsänderung der Wicklungen der Drehfeldmaschine aus dem Anregungssignal und dem Ausgangssignal des PLL-Kreises ein Referenz-Raumzeiger gebildet. Aus diesem Referenz-Raumzeiger und dem in negativer Richtung drehenden Raumzeiger des Signalanteils des Stromraumzeigers wird durch Bildung des Vektorprodukts der Phasenunterschied zwischen den beiden Signalanteilen des Stromraumzeigers ermittelt. Das Signal für das Vektorprodukt wird nach Tiefpaßfilterung an den Eingang eines PID-Reglers angelegt. Aus dem Ausgangssignal des PID-Reglers wird mittels eines Modells zur Nachbildung der mechanischen Eigenschaften der Drehfeldmaschine, in dem Schätzwerte für das elektromagnetische Drehmoment und das Lastmoment berücksichtigt werden, der Rotorwinkel ermittelt. Da dem Steuersignal ein Anregungssignal aufmoduliert wird, ermöglicht das Verfahren auch im Stillstand des Rotors eine Lagemessung. Das Verfahren hat jedoch den Nachteil, dass zur Bestimmung des Rotorwinkels die genaue Kenntnis von mechanischen und magnetischen Kenngrößen, vor allem der Induktivität der Drehfeldmaschine erforderlich ist. In der Praxis ist jedoch eine genaue Bestimmung der Kenngrößen oft nicht oder nur mit großem Aufwand möglich, da sich diese während des Betriebs der Drehfeldmaschine verändern können. So kann sich beispielsweise das Massenträgheitsmoment ändern, wenn die Antriebsbelastung an der Welle der Drehfeldmaschine variabel ist. Auch der Statorwiderstand und die Induktivität der Drehfeldmaschine können sich durch Erwärmung oder Sättigung verändern.

Ein Verfahren der eingangs genannten Art ist auch aus dem Aufsatz "Dynamic Operation of Carrier-Signal-Injection-Based Sensorless Direct Field-Oriented AC Drivers" von Fernando Briz u.a, IEEE Transactions on Industry Applicatins, Band 36., Nr. 5 (September/Oktober 2000) bekannt. Bei diesem Verfahren wird der den in negative Richtung drehenden Raumzeiger aufweisende Signalanteil des durch das Anregungssignal bewirkten Stromraumzeigers mit Hilfe von Bandpaß-Sperrfiltern aus dem Statorstromraumzeiger herausgefiltert. Dieser Signalanteil wird einem sogenannten Tracking Observer zugeführt, der Schätzwerte für das Lagesignal liefert. Der Tracking Observer weist einen Regler, ein Modell zur Nachbildung der mechanischen Eigenschaften der Drehfeldmaschine sowie ein Modell für die rotorwinkelabhängige Induktivitätsänderung der Wicklungen der Drehfeldmaschine auf. Auch bei diesem Verfahren ist eine genaue Kenntnis der mechanischen und magnetischen Parameter der Drehfeldmaschine erforderlich.

Aus US 5 729 113 ist ferner ein sensorloser Drehstromantrieb bekannt, bei dem ebenfalls mit einem hochfrequenten Anregungssgnal die Drehzahl des Rotors bestimmt wird. Mit Hilfe einer Auswerteelektronik werden die Komponenten des Ständerstroms erst mittels Drehoperatoren, welche die Frequenz des Anregungssignals aufweisen, transformiert und anschließend durch Tiefpassfilter gefiltert.

Es besteht deshalb die Aufgabe, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, das eine einfache Bestimmung der Lage des Rotors relativ zum Stator ermöglicht. Dabei soll das Verfahren vor allem im Stillstand der Drehfeldmaschine oder bei kleinen Relativgeschwindigkeiten zwischen dem Rotor und dem Stator der Drehfeldmaschine eine hohe Meßgenauigkeit aufweisen.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht darin, dass der Stromraumzeiger mittels eines Drehoperators, dessen Drehfrequenz der Frequenz des Anregungssignals entspricht, transformiert und danach zum Herausfiltern einer von der doppelten Differenz aus dem elektrischen Rotorwinkel oder der elektrischen Rotorlage und der Winkelfrequenz oder der Winkellage des Anregungssignals abhängigen Signalkomponente hoch- oder bandpaßgefiltert wird, dass das so ermittelte Nutzsignal zum Herausfiltern einer vom Rotorwinkel oder der Rotorlage abhängigen Signalkomponente mittels eines weiteren Drehoperators, dessen Drehfrequenz der doppelten Frequenz des Anregungssignals entspricht, rücktransformiert wird, und dass das Rotor-Lagesignal durch Bildung des Arcus-Tangens aus dem Quotient von Real- und Imaginärteil dieses rücktransformierten Signals ermittelt wird.

Da der Real- und der Imaginärteil des rücktransformierten Signals die gleiche Abhängigkeit von den Kenngößen Grundanteil der Induktivität der Drehfeldmaschine, Amplitude des Wechselanteils der Induktivität der Drehfeldmaschine und Frequenz des Anregungssignals aufweisen, kürzen sich diese Kenngrößen bei der Bildung des Quotients von Real- und Imaginärteil heraus. In vorteilhafter Weise ermöglicht es das erfindungsgemäße Verfahren deshalb, die Lage des Rotors relativ zum Stator ohne eine Kenntnis dieser Kenngrößen auf einfache Weise zu bestimmen. Auch wirken sich Veränderungen der Kenngrößen nicht auf die Genauigkeit des Meßergebnisses aus. Das Verfahren ermöglicht deshalb eine hohe Meßgenauigkeit. Gegenüber bekannten, auf einem Beobachter und/oder einem PLL-Kreis basierenden Verfahren hat das erfindungsgemäße Verfahren außerdem den Vorteil, dass außer der bei den Filterungen auftretenden Dynamik keinerlei Dynamik in der Rekonstruktion vorhanden ist. Dadurch werden Instabilitäten vermieden. Bei rotatorischen Drehfeldmaschinen wird der Winkel zwischen Rotor und Stator bestimmt, während bei Linearmotoren der translatorische Weg zwischen Rotor und Stator ermittelt wird. Das Verfahren ist für alle elektrischen Maschinen geeignet, die eine etwa annähernd sinusförmige Abhängigkeit der Statorinduktivität vom Rotorwinkel aufweisen, z.B. rotatorische und lineare Synchronantriebe, wie elektrisch erregte Synchron-Servomotoren in Schenkelpolbauweise, Reluktanzmotoren, permanentmagnetisch erregte Synchron-Servomotoren sowie Hybrid- und Reluktanz-Schrittmotoren. Diese Abhängigkeit weisen viele elektrische Maschinen auf, da z.B. die Nutung oder auch magnetische Sättigungserscheinungen eine winkel- oder lageabhängige Variation der magnetischen Reluktanz hervorrufen können. Bei den meisten elektrischen Maschinen erfolgt diese Variation mit dem doppelten elektrischen Rotorwinkel. Für Asynchronmaschinen ist das erfindungsgemäße Verfahren ebenfalls geeignet.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das Rotor-Lagesignal bei einer Bewegung des Rotors von einer Referenz-Position zu einer weiteren Position ermittelt, wobei die Anzahl der Schwingungsperioden des Rotor-Lagesignales zwischen diesen Positionen bestimmt wird, und wobei aus dieser Anzahl und dem Wert des Rotor-Lagesignales an der weiteren Position die absolute Lage des Rotors in Bezug zu der Referenz-Position ermittelt wird. Es wird also die Periodizität des durch Arcus-Tangens-Bildung aus dem Quotient von Real- und Imaginärteil des rücktransformierten Signals ermittelte Meßsignals kompensiert, was eine absolute Lagemessung über mehrere Pole der Drehfeldmaschine ermöglicht. Dabei können gegebenenfalls Zwischenwerte interpoliert werden.

Vorteilhaft ist, wenn als Anregungssignal ein sinusförmiges Signal verwendet wird. Dadurch werden Oberwellen in dem Meßsignal weitestgehend vermieden.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass das Rotor-Lagesignal mit einem Lage-Sollwertsignal verglichen wird und dass beim Auftreten einer Lageabweichung die Frequenz des Steuersignals im Ausgleichssinn verändert wird. Das Verfahren ermöglicht dann eine Lageregelung in einem geschlossenen Regelkreis, wobei diese Lageregelung auch feldorientiert sein kann. Außerdem ermöglicht das Verfahren eine Nachlaufsteuerung des Rotors der Drehfeldmaschine.

Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines elektromotorischen Antriebs, mit einer an einem Frequenzumrichter angeschlossenen Drehfeldmaschine und mit einer Meßvorrichtung zur Bestimmung der Lage des Rotors der Drehfeldmaschine durch Auswertung des elektrischen Stromes in den Wicklungen der Drehfeldmaschine,
2 eine Filteranordnung zum Herausfiltern einer von der Lage des Rotor relativ zum Stator abhängigen Nutzkomponente aus einem Strommeßsignal der Drehfeldmaschine,
3 eine graphische Darstellung des Realteils I_α des Stromraumzeigers im statorfesten Koordinatensystem, wobei auf der Abszisse die Zeit t in Sekunden und auf der Ordinate der Realteil I_α des Stroms in Ampere aufgetragen sind,
4 eine graphische Darstellung des durch Auswertung des elektrischen Stromes in den Wicklungen der Drehfeldmaschine geschätzten Rotorwinkels γ_e und des gemessenen Rotorwinkels γ_m in Abhängigkeit von der Zeit t, wobei der geschätzte Rotorwinkel γ_e durch eine dünne und der gemessene Rotorwinkel γ_m durch eine fettgedruckte Linie markiert ist, wobei auf der Abszisse die Zeit t in Sekunden und auf der Ordinate die Rotorwinkel γ_m, γ_e in Grad aufgetragen sind, und
5 eine Darstellung der Rotorwinkel γ_m, γ_e ähnlich 4, jedoch über einen längeren Zeitraum und für eine reversierende Rotorbewegung.
Ein im ganzen mit 1 bezeichneter, in 1 schematisch dargestellter elektromotorischer Antrieb weist eine Drehfeldmaschine 2 auf, die mit einer Ansteuereinrichtung verbunden ist. Die Ansteuereinrichtung hat einen Frequenzumrichter 3, über den die Drehfeldmaschine 2 am Wechselstromnetz angeschlossen ist. Mittels des Frequenzumrichter 3 sind elektrische Betriebsspannungen unterschiedlicher Frequenz an die Drehfeldmaschine 2 anlegbar. Zum Einstellen der Signalform der an die Wicklungsstränge der Drehfeldmaschine 2 anzulegenden Betriebsspannungen weist der Frequenzumrichter 3 eine der Anzahl der Phasen der Betriebsspannung entsprechende Anzahl Steuereingänge auf, die jeweils mit einem Ausgang eines Sollwertgebers verbunden ist. Der Sollwertgeber hat einen Regler 4, der an seinem Ausgang 5 ein sinusförmiges oder eine an eine Sinusform angenäherte Form aufweisendes Steuersignal abgibt. Anstelle des Reglers 4 kann der Sollwertgeber auch eine Nachlaufsteuerung aufweisen. Die Frequenz ω_s des Steuersignals ist an die einzustellende Relativgeschwindigkeit zwischen dem Rotor und dem Stator der Drehfeldmaschine 2 angepaßt. Das Steuersignal wird durch einen Zeiger
mit der Ampltude U_S und der Frequenz ω_s in den Koordinaten eines statorfesten karthesischen Koordinatensystems repräsentiert.
Der Ausgang 5 des Reglers 4 ist mit einem ersten Eingang eines Addierglieds 6 verbunden, dessen zweiter Eingang am Ausgang eines Anregungssignalgebers 7 angeschlossen ist. Die Frequenz ω_c des an diesem Ausgang anliegenden Anregungssignals ist wesentlich größer als die Frequenz des Steuersignals ω_s. Das Anregungssignal ist sinusförmig oder weist eine an eine Sinusform angenäherte Form auf. Es wird durch einen Zeiger
mit der Amplitude U_c und der Frequenz ω_c in den Koordinaten des statorfesten Koordinatensystems repräsentiert. Am Ausgang des Addierglieds 6 ergibt sich somit ein Summensignals aus dem Steuersignal und dem Anregungssignal mit statorfesten Koordinaten. Der Ausgang des Addierglieds 6 ist mit dem Eingang eines Funktionsblocks 8a zum Konvertieren dieser statorfesten Koordinaten in Stranggrößen verbunden. Der Funktionsblock 8a weist eine der Anzahl der Phasen der Drehfeldmaschine 2 entsprechende Anzahl Ausgangsanschlüsse auf, an denen jeweils ein Sollwertsignal für die entsprechende Phase der Betriebsspannung der Drehfeldmaschine 2 anliegt.
Die sich aufgrund der an die Wicklungsstränge der Drehfeldmaschine 2 angelegten Betriebsspannung ergebenden Strangströme werden mittels einer Strommeßeinrichtung 9 gemessen. Die Strommeßeinrichtung 9 weist mehrere Ausgangsanschlüsse auf, deren Anzahl der um eins verminderten Anzahl der Phasen der Drehfeldmaschine 2 entspricht oder genauso groß ist wie diese Anzahl. An jedem Ausgangsanschluß liegt jeweils eine statorfeste, einer Phase der Drehfeldmaschine 2 zugeordnete Komponente des Strommeßsignals an. Die einzelnen Ausgangsanschlüsse sind jeweils mit einem Eingangsanschluß eines Funktionsblocks 8b zum Konvertieren der Stranggrößen in ein Strommeßsignal mit statorfesten Koordinaten verbunden. Das am Ausgang dieses Funktionsblocks 8b anliegende, die statorfesten Koordinaten aufweisende Strommeßsignal wird dem Eingang eines Rekonstruktions-Funktionsblocks 10 zugeführt, in dem aus dem Strommeßsignal ein Rotor-Lagesignal rekonstruiert wird. Dieses wird einem Istwert-Eingang des Reglers 4 zugeführt. Der Regler 4 vergleicht das Strommeßsignal mit einem Lage-Sollwertsignal und verändert die Frequenz des Steuersignals beim Auftreten einer Abweichung zwischen dem Sollwertsignal und dem Lagesignal im Ausgleichssinn.
Wie vorstehend bereits erwähnt wurde, wird an die Wicklungsstränge des statorfesten Koordinatensystems ein Drehspannungssignal angelegt, das additiv aus dem ein die Frequenz ω_s aufweisenden Steuersignal und dem die im Vergleich dazu höhere Frequenz ω_c aufweisenden Anregungssignal zusammengesetzt ist. Die Induktivität der Drehfeldmaschine 2 ist etwa sinusförmig von der Lage des Rotors relativ zum Stator abhängig. Dadurch ergibt sich beim Anlegen des Drehspannungssignals an die Wicklungsstränge der Drehfeldmaschine 2 eine Modulation der Wicklungströme. Das entsprechende Strommeßsignal kann als Raumzeiger im stationären Fall vereinfacht wie folgt angegeben werden:
Der Einfluß der in den Statorwicklungen induzierten Gegenspannung (EMK) wurde wegen der Annahme kleiner Drehzahlen bzw. des Stillstands des Rotors vernachlässigt. Der ohmsche Rotorwiderstand wurde ebenfalls vernachlässigt, da dieser meist klein gegenüber dem induktiven Blindwiderstand ist.
Mittels eines ersten Bandpaßfilters 11 wird die auf das Steuersignal zurückzuführende Meßsignalkomponente
aus dem Strommeßsignal enfernt. Die Stromanteile der EMK werden durch diese Filterung ebenfalls entfernt, da auch diese von der Frequenz ω_s des Steuersignals abhängen. Der am Ausgang des Bandpaßfilters 11 verbleibende Stromraumzeiger
enthält eine rotationswinkelabhängige und eine rotationswinkel unabhängige Zeigerkomponente. Um die rotationswinkelunabhängige Zeigerkomponente aus dem Stromraumzeiger zu entfernen, wird dieser zunächst dem Eingang eines Transformations-Funktionsblocks 12 zugeführt, in dem die Zeigerkomponente mit einem Drehoperator e^–jωct der Anregungsfrequenz ω_c multipliziert wird. Am Ausgang des Transformations-Funktionsblocks 12 ergibt sich dann folgendes transformiertes Signal:
Die darin enthaltene, von der Differenz aus dem doppelten Rotorwinkel und der doppelten Anregungsfrequenz ω_c abhängige Signalkomponente wird mittels eines zweiten Bandpaßfilters 13 separiert. Am Ausgang des Bandpaßfilters 13 ergibt sich dann folgendes Nutzsignal:
Dieses Nutzsignal beinhaltet noch die zweifache Modulations- oder Anregungsfrequenz 2ω_c. Um diesen Frequenzanteil zu entfernen, wird das Nutzsignal dem Eingang eines weiteren Transformations-Funktionsblocks 14 zugeführt, in dem das Nutzsignal mit einem Drehoperator e^j2ωct der doppelten Anregungsfrequenz ω_c multiplziert wird.
Am Ausgang des Transformations-Funktionsblocks 14 ergibt sich dann folgende, vom elektrischen Rotorwinkel ϑ oder der elektrischen Rotorlage abhängige Signalkomponente des Meßsignals:
Der Realteil dieses rücktransformierten Signals bzw. die in α-Richtung des statorfesten Koordinatensystems weisende Komponente des rücktransformierten Signals entspricht also dem Sinus des zweifachen elektrischen Rotorwinkels ϑ(t) multipliziert mit dem Faktor I_N. Der Imaginärteil des rücktransformierten Signals bzw. die in ϐ-Richtung des statorfesten Koordinatensystems weisende Komponente des rücktransformierten Signals entspricht dem Cosinus des zweifachen elektrischen Rotorwinkels ϑ(t) multipliziert mit dem Faktor I_N. Der Faktor I_N ist von der Induktivitätsvariation der Drehfeldmaschine 2 und der Anregungsfrequenz ω_c abhängig:
Dabei ist L₁ der Grundanteil der Induktivität und L₂ die Amplitude des Wechselanteils der Induktivität im statorfesten Koordinatensystem.
Die Komponenten I_trig,α und t_rig,β werden den Eingängen eines Funktionsblocks 15 zur Winkelermittlung zugeführt. Wie in 2 besonders gut erkennbar ist, weist der Funktionsblock 15 eine Einrichtung 16 zur Bildung des Arcus-Tangens aus dem Quotient von Realteil I_trig,α und Imaginärteil t_rig,β auf . Das so gebildete Winkel-Zwischensignal wird an den Eingang eines π-Periodenzähler 17 angelegt. Dieser gibt ein Ausgangssignal ab, das der Anzahl der Perioden des Zwischensignals in Bezug zu einer Referenz-Position multipliziert mit π entspricht. Dieses Ausgangssignal wird einem ersten Eingang einer Addierstufe 18 zugeführt, die mit ihrem anderen Eingang mit dem Ausgang der Einrichtung 16 zur Bildung des Arcus-Tangens verbunden ist. Am Ausgang der Addierstufe 18 ergibt sich dann ein den zweifachen elektrischen Rotorwinkel repräsentierendes Winkelsignal. Aus diesem wird in einem weiteren Funktionsblock, der das Vorzeichen, den Multiplikator 2 und die Polpaarzahl der Drehfeldmaschine 2 berücksichtigt, der mechanische Rotorwinkel bestimmt.
3 zeigt beispielhaft den etwa sinusförmigen Stromverlauf in einer Phase der Drehfeldmaschine 2. In 4 ist zu diesem Stromverlauf das Ausgang der Addierstufe 18 anliegende Winkelsignal durch eine dünne Linie markiert. Die fett gedruckte Linie gibt das Winkelsignal für den tatsächlichen Rotorwinkel wieder. Der Offset zwischen dem am Ausgang der Addierstufe 18 anliegenden Winkelsignal und dem tatsächlichen Winkelsignal ist durch bei den Filterungen des Meßsignales auftretende Phasenverschiebungen bedingt. 4 zeigt den Verlauf des am Ausgang der Addierstufe 18 anliegenden Winkelsignals (dünne Line) und das tatsächliche Winkelsignal (fett gedruckte Line) für einen Teil einer Reversierbewegung des Rotors gemäß 5. Auch hier ist der Offset zwischen den Winkelsignalen erkennbar.
Zur Kompensation dieses Offsets ist der das Winkelsignal aufweisenden Ausgang des Funktionsblocks 15 mit dem Eingang einer Kompensationseinrichtung 19 verbunden. Das am Ausgang der Kompensationseinrichtung 19 anliegende, kompensierte Rotor-Lagesignal wird dem Istwert-Eingang des Reglers 4 zugeführt.
Da das Verfahren auf der Speisung des Motors mit sinusförmigen Spannungen und Strömen basiert, darf der Frequenzumrichter 3 nur geringe Harmonische der Sollspannung im Bereich der Anregungsfrequenz ω_c erzeugen. Bei einem Frequenzumrichter 3, der eine pulsweitenmodulierte Ausgangsspannung erzeugt, kann eine Kompensation der Umrichter-Schalt-Totzeiten vorgesehen sein.
In 1 ist noch erkennbar, dass der Regler 4, der Rekonstruktions-Funktionsblock 10 und/oder der Anregungssignalgeber 7 mit einer übergeordneten Steuerung 20 zur Sollwertvorgabe verbunden ist.
Erwähnt werden soll noch, dass die Funktionsblöcke 8a, 8b, 10, 12, 14, 15 und/oder die Bandpaßfilter 11, 13 durch Hardwarekomponenten und/oder einen Microcomputer mit entsprechender Software realisiert sein können. Die Bandpaßfilter 11, 13 sind vorzugsweise als Digitalfilter ausgebildet. Es sind aber auch andere Ausführungsformen denkbar, bei denen Bandpaßfilter 11, 13 Analogfilter sein können.
Bei einem Verfahren zum Betreiben einer Drehfeldmaschine 2, die eine etwa sinusförmig von der Rotorlage abhängige Induktivität aufweist, wird also zum Erzeugen eines Drehfeldes an die Wicklungen der Drehfeldmaschine 2 ein Drehspannungssignal angelegt, das aus einem Steuersignal und einem höherfrequenten Anregungssignal zusammengesetzt ist. Das Steuersignal hat eine der Drehzahl des Rotors entsprechende Frequenz. Durch Messung der Strangströme wird ein Statorstromraumzeiger ermittelt und es wird ein auf das Anregungssignal zurückzuführender Stromraumzeiger aus dem Strommeßsignal herausgefiltert. Der Stromraumzeiger wird mittels eines die Frequenz des Anregungssignals aufweisenden Drehoperators transformiert und danach zum Herausfiltern einer von der doppelten Differenz aus Rotorwinkel und Winkelfrequenz des Anregungssignals abhängigen Signalkomponente hoch- oder bandpaßgefiltert. Das so ermittelte Nutzsignal wird zum Herausfiltern einer vom Rotorwinkel abhängigen Signalkomponente mittels eines weiteren Drehoperators, der die doppelte Frequenz des Anregungssignals aufweist, rücktransformiert. Ein Rotor-Lagesignal wird durch Bildung des Arcus-Tangens aus dem Quotient von Real- und Imaginärteil dieses rücktransformierten Signals ermittelt.

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Drehfeldmaschine (2), deren Wicklungen eine etwa sinusförmig von der Lage des Rotors relativ zum Stator abhängige Induktivität aufweisen, wobei zum Erzeugen eines Drehfeldes an die Wicklungen ein Drehspannungssignal angelegt wird, das aus einem eine der Relativgeschwindigkeit zwischen Rotor und Stator entsprechende Frequenz aufweisenden Steuersignal und einem diesem überlagerten höherfrequenten Anregungssignal zusammengesetzt ist, wobei durch Messung der Strangströme ein Statorstromraumzeiger ermittelt wird, aus dem ein auf das Anregungssignal zurückzuführender Stromraumzeiger herausgefiltert wird, und wobei aus diesem Stromraumzeiger ein die Rotorlage repräsentierendes Lagesignal ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromraumzeiger mittels eines Drehoperators, dessen Drehfrequenz der Frequenz des Anregungssignals entspricht, transformiert und danach zum Herausfiltern einer von der doppelten Differenz aus dem elektrischen Rotorwinkel oder der elektrischen Rotorlage und der Winkelfrequenz oder der Winkellage des Anregungssignals abhängigen Signalkomponente hoch- oder bandpaßgefiltert wird, dass das so ermittelte Nutzsignal zum Herausfiltern einer vom Rotorwinkel oder der Rotorlage abhängigen Signalkomponente mittels eines weiteren Drehoperators, dessen Drehfrequenz der doppelten Frequenz des Anregungssignals entspricht, rücktransformiert wird, und dass das Rotor-Lagesignal durch Bildung des Arcus-Tangens aus dem Quotient von Real- und Imaginärteil dieses rücktransformierten Signals ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Rotor-Lagesignal bei einer Bewegung des Rotors von einer Referenz-Position zu einer weiteren Position ermittelt wird, dass die Anzahl der Schwingungsperioden des Rotor-Lage signales zwischen diesen Positionen bestimmt wird, und dass aus dieser Anzahl und dem Wert des Rotor-Lagesignales an der weiteren Position die absolute Lage des Rotors in Bezug zu der Referenz-Position ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Anregungssignal ein sinusförmiges Signal verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Rotor-Lagesignal mit einem Lage-Sollwertsignal verglichen wird und dass beim Auftreten einer Lageabweichung die Frequenz des Steuersignals im Ausgleichssinn verändert wird.