DE10133710A1

DE10133710A1 - Steuervorrichtung, Überwachungsgerät und Steuerverfahren für einen Induktionsmotorantrieb ohne Geschwindigkeitssensor

Info

Publication number: DE10133710A1
Application number: DE10133710A
Authority: DE
Inventors: Guiseppe Guidi
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2001-04-27
Filing date: 2001-07-11
Publication date: 2003-05-28
Anticipated expiration: 2021-07-12
Also published as: DE10133710B4; JP2002330600A; US20030015988A1; CN100459410C; US6518722B1; CN1383260A; JP4411796B2

Abstract

Eine Rückkopplungsverstärkung K wird unter Verwendung eines Abschätzfehlers e¶i¶ des Statorstromes, eines beobachteten Flusses und einem abgeschätzten Geschwindigkeitswert bestimmt und als Ausgang ausgegeben, der auf der Rückkopplungsverstärkung beruht. Ein Induktionsmotor wird, basierend auf dem beobachteten Flusswert und der abgeschätzten Geschwindigkeit, gesteuert. Auf diese Art und Weise wird eine Steuervorrichtung, ein Überwachungsgerät und ein Steuerverfahren geschaffen, welche eine globale stabile Steuerung eines Induktionsmotorantriebs sicherstellt, der weder einen Geschwindigkeitssensor noch einen Drehstellungssensor aufweist.

Description

Hintergrund der Erfindung

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf einen Induktionsmotorantrieb ohne Geschwindigkeitssensor und/oder ohne Drehstellungsgeber und insbesondere auf ein Überwachungsgerät zur Vektorsteuerung eines Induktionsmotorantriebs.

Beschreibung des Standes der Technik

Ein typisches Vektorsteuersystem für einen gleichstromfeldorientierten Induktionsmotorantrieb ohne einen Geschwindigkeitssenor und/oder ohne Drehstellungsgeber ist in Fig. 1 gezeigt.
In dem System ohne Geschwindigkeitssensor werden lediglich die Statorspannung 206 und der Statorstrom 207 über Sensoren 108 und 109 erfasst.
Die Vektorsteuerung für einen Induktionsmotor 100 in Fig. 1 wird auf dem Drehmoment des Induktionsmotors 100, welches unabhängig aufgebracht wird, und dem Magnetfluss, welcher über einen Wechselrichter 101 eingespeist wird, basierend durchgeführt.
Bei der Vektorsteuerung in dem in Fig. 1 gezeigten System erzeugt ein Geschwindigkeitsregler 107 einen Drehmomentstrombezugswert 202 über einen PI-Regler (proportionale und integrale Regelung) aus einem geschätzten Geschwindigkeitsbezugswert 200, der eine Anweisung für die Geschwindigkeit des Motors darstellt, und einem geschätzten Geschwindigkeitswert 211 aus einem Fluß- und Geschwindigkeitsfiberwachungsgerät 110 als Rückkopplung und gibt das erzeugte Drehmomentstrombezugssignal 202 an einen Stromregler 106 aus. Der Stromregler 106 gibt einen Strom aus, der unter der PI- Regelung aus dem Drehmomentstrombezugswert 202, der eine Anweisung an das Drehmoment darstellt und aus dem Flussstrombezugswert 201 geregelt worden ist, der eine Anweisung an den magnetischen Fluss darstellt. Sodann wandelt eine Vektorrotationseinrichtung 104 diesen Stromwert in einen Relativwert in einem Koordinatensystem um (d-q Koordinatensystem), das in Synchronismus mit einem synthetischen Stromvektor gedreht wird, und legt den umgewandelten Wert an den Wechselrichter 101 als einen primären Spannungsbefehl 205 an. Der Flussstrombezugswert 201, der an den Stromregler 106 angelegt wird, kann auf einen konstanten Wert über einen weiten Arbeitsbereich eingestellt werden, wohingegen der Drehmomentstrombezugswert 202 durch eine PI-Schleife der geschätzten Geschwindigkeit 211 entsprechend erzeugt wird.
Die Strom- und Spannungswerte, die vom Wechselrichter 101 an den Induktionsmotor 100 angelegt werden, werden als detektierte Spannung 206 und detektierter Strom 207 über die Sensoren 108 und 109 erfasst. Nachdem die gemessene Spannung 206 und der gemessene Strom 207 in Werte umgewandelt worden sind, die durch ein Zweiphasenkoordinatensystem durch 3-2- Phasenwandler 102 und 103 dargestellt werden, werden sie dem Fluss- und Geschwindigkeitsüberwachungsgerät 110 als Raumvektorwerte v_s 208 und i_s 209 eingegeben.
Das Fluss- und Geschwindigkeitsüberwachungsgerät 110 erhält einen ermittelten Rotorfluss 210 aus der Statorspannung v_s 208 und aus dem Statorstrom i_s 209, gibt den erhaltenen Flusswert 210 an die Vektordreheinrichtungen 104 und 105, schätzt die Rotorgeschwindigkeit und gibt die geschätzte Geschwindigkeit 211 zum Geschwindigkeitsregler 107.
Die Vektordreheinrichtung 104 dreht einen Flussbefehl 203 und einen Drehmomentenbefehl 204 vektoriell in Ausrichtung zum Rotorfluss, und zwar basierend auf dem ermittelten Rotorflusswert 210 und gibt die vektoriell gedrehten Befehle zum Wechselrichter 101 als primäre Spannungsanweisung 205.
Der Vektor i_s 209 wird vektoriell durch das Vektordrehgerät 105 zusätzlich in Ausrichtung auf den Rotorfluss gedreht, und zwar basierend auf dem beobachteten Fluss 210 vom Fluss- und Geschwindigkeitsüberwachungsgerät 110, um einen Flussstrom 212 und einen Drehmomentenstrom 213 zu erhalten, welche als Rückkopplungssignale durch den Stromregler 106 eingesetzt werden.
Ein MRAS (Model Reference Adaptive System), das auf einem Fluss- und Geschwindigkeitsüberwachungsgerät basiert, wurde bereits in dem Dokument Ref. 1 vorgeschlagen: H. Kubota et al. "DSP-based speed adaptive flux observer of induction motor", IEEE Trans. Industry Applicat., Vol. 2, Nr. 2, Seiten 343-348, 1993.
Gemäß dieser Veröffentlichung Ref. 1 werden ein Statorstrom und ein Rotorfluss als unabhängiger Satz von Variablen eingesetzt, um das Verhalten eines Induktionsmotors zu erläutern und zu beschreiben. Demzufolge kann das Verhalten eines Induktionsmotors nach der Veröffentlichung Ref. 1 über eine Gleichung beschrieben werden, die den Statorfluss und den Rotorfluss als Zustandsvariable verwendet. Da der Vorgang dieses Beschreibens eine Standardlineartransformation ist, kann die detaillierte Beschreibung hier weggelassen werden.
Eine klassische Darstellung einer Induktionsmaschine in einem statororientierten Bezugskoordinatensystem (α-β) liefert die folgende Gleichung (state space notation):

wobei

φ_s = [φ_s _αφ_s _β]^T, φ_r = [φ_r _αφ_r _β]^T, i_s = [i_s _αi_s _β]^T, ν_s = [ν_s _αν_s _β]^T,

räumliche Vektoren sind, die dem Statorfluss, dem Rotorfluss, dem Statorstrom- und der Statorspannung jeweils zugeordnet sind.
Die weiterhin verwendeten Symbole sind durch folgende Gleichungen definiert:

wobei
R_s, R_r der Stator- bzw. Rotorwiderstand ist,
L_s, L_r, L_m die Stator-, Rotor- und Gegeninduktivitäten sind;
σ = 1 - L_m ²/(L_s.L_r) der Gesamt-Streukoeffizient ist und
ω_r die Winkelrotorgeschwindigkeit ist.
Nach der Veröffentlichung Ref. 1 werden die ermittelten Flusswerte wie folgt dargestellt. Die Begriffe "Beobachtung" und "beobachteter, gemessener oder ermittelter Wert" beziehen sich in dieser Beschreibung auf Beobachtungen bzw. beobachtete Werte in der modernen Steuertheorie und geben eine Abschätzung eines Zustands-Variablenwertes aus einem Ausgang und seinem geschätzten Wert an. In den folgenden Gleichungen werden ermittelte oder beobachtete Werte mit "^" markiert.
Ein Ausgangs-Rückkopplungsverstärkungswert K in der Gleichung (2) wird verwendet, um die dynamischen Charakteristiken eines Schätzfehlers und seiner Bestimmung zu modifizieren.
Die Geschwindigkeit wird durch die folgende Gleichung abgeschätzt:

wobei k_ω eine beliebige Verstärkung ist.
Nach der Veröffentlichung Ref. 1 wird die Rückkopplungsverstärkung K in der Gleichung (2) zusammen mit einer Proportionalitätskonstanten k verwendet, um vier Eigenwerte λ_obs des Flussüberwachungsgerätes gemäß der Gleichung (2) zu erhalten, welche zu einem Eigenwert λ_mot des entsprechenden Motors gemäß Gleichung (1) proportional ist:

λ_obs = k.λ_mot. . . (4).

Gleichung (4) ist in der folgenden Veröffentlichtung Ref. 2 zitiert und definiert worden: Y. Kinpara und M. Royama "Speed Sensorless Vector Control Method of Induction Motor Including A Low Speed Region"; The Journal "D", Institute of Electrical Engineers of Japan, Vol. 120-D, Nr. 2, Seiten 223-229, 2000.
Mit einer Auswahlmethode für die Rückkopplungsverstärkung K, welche in der Veröffentlichung Ref. 2 vorgeschlagen worden ist, können verschiedene instabile Arbeitsbedingungen an dem Induktionsmotor dargestellt werden. Insbesondere wenn die Statorfrequenz sich dem Wert "0" nähert, gibt es keine Konvergenz für das Überwachungsgerät und dies führt dazu, dass der Motorantrieb nicht mehr zuverlässig arbeiten kann.
Ein instabiler Bereich in einer Drehmoment-Geschwindigkeitsebene des Induktionsmotorantriebes hängt von dem Wert der Proportionalitätskonstanten k in Gleichung (4) ab. Dieser instabile Bereich konvergiert in eine einzelne Linie, die der primären Frequenz entspricht, die exakt "0" entspricht, wenn die Konstante k zu 0 hin konvergiert. Dementsprechend werden die dynamischen Charakteristiken, die aus dem Flussüberwachungsgerät resultieren, inakzeptabel langsam für einen sehr kleinen Wert von k sein. Demzufolge stellt diese Auswahlmethode für die Rückkopplungsverstärkung K keine gute Lösung dar.
Die Veröffentlichung Ref. 2 schlägt ein Verfahren vor, welches auf einer Riccati-Gleichung als einer Auswahlmethode für die Ausgangs-Rückkopplungsverstärkung K in Gleichung (2) basiert und welche den Antrieb stabilisiert.
Mit dieser Methode kann eine Ausgangsrückkopplungsverstärkung K erhalten werden, wobei G, Q und R durch die folgenden Gleichungen definiert sind:
Die Gleichung für K lautet:

K = PC^T.R^-1,

wobei P eine einzige positive, bestimmte Lösung ist, die der folgenden Gleichung genügt:

PA^T + AP - PC^TR^-1CP + GQG^T = 0.
Unter Verwendung der Methode mit der Riccati-Gleichung kann die Stabilität der Fluss- und Geschwindigkeitserfassung verbessert werden, jedoch muss der eine willkürliche Parameter, nämlich ε₁, der sich nicht direkt auf die Stabilität der Gesamtarbeitsweise bezieht, ausgewählt werden, um die Ausgangs-Rückkopplungsverstärkung zu erhalten. Falls dieser Parameter unzweckmäßig ausgewählt worden ist, kann das Üiberwachungsgerät möglicherweise instabil werden oder eine inakzeptabel große Verzögerung verursachen. In jedem Fall kann die resultierende Operation nicht mit einer sehr niedrigen, primären Frequenz durchgeführt werden.

Zusammenfassung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung wurde entwickelt, um die oben beschriebenen Probleme zu überwinden, und sie will ein Steuersystem, ein Überwachungsgerät und ein Steuerverfahren für einen Induktionsmotorantrieb ohne Geschwindigkeitssensor oder ohne Stellungssensor schaffen, wobei die Arbeitsweise für den gesamten Arbeitsfrequenzbereich stabil ist.
Die vorliegende Erfindung basiert auf einer Vorrichtung und einer Methode, um eine Vektorsteuerung für einen Induktionsmotor durchzuführen, die wenigstens weder einen Geschwindigkeitssensor noch einen Stellungssensor benötigen.
Das Steuersystem gemäß der vorliegenden Erfindung weist eine Überwachungseinheit und eine Steuereinheit auf.
Die Überwachungseinheit legt eine Rückkopplungsverstärkung K unter Verwendung eines Schätzfehlers des Statorstroms fest und erhält und gibt wenigstens entweder einen beobachteten Magnetfluss oder einen geschätzten Geschwindigkeitswert als Ausgang aus, der auf der Rückkopplungsverstärkung K basiert. Die Steuereinheit steuert den Induktionsmotor, und zwar basierend auf dem Ausgang der Überwachungseinheit.
Bei diesem System wird lediglich die Bestimmung der Rückkopplungsverstärkung K beispielsweise durch die folgende Gleichung eingegrenzt:
Das bedeutet, dass die Rückkopplungsverstärkung K, welche einer Bedingung genügt, die auf einem unterschiedlichen Faktor basiert, fast ohne jede Beschränkung bestimmt werden kann.
Weiterhin kann die Überwachungseinheit so ausgebildet werden, dass die Rückkopplungsverstärkung K hinsichtlich der Größe so bestimmt wird, dass sie innerhalb eines vorbestimmten Bereiches liegt, falls die Drehgeschwindigkeit des Induktionsmotors gleich oder höher als eine vorgewählte Geschwindigkeit ist.
Mit Hilfe dieses Aufbaus kann ein stabiler Betrieb selbst bei einer Arbeitsfrequenz in der Nähe von 0 realisiert werden.

Beschreibung der Zeichnung

Fig. 1 zeigt ein typisches System eines gleichfeldorientierten Induktionsmotorantriebs ohne Geschwindigkeitssensor und/oder ohne Drehstellungssensor;
Fig. 2 zeigt beispielhaft einen Ausgangsfehlerblock gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 3 zeigt ein System eines gleichfeldorientierten Induktionsmotors ohne Geschwindigkeitssensor oder ohne Drehstellungsgeber gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 4 erläutert die Konfiguration eines Geschwindigkeits- und Flussüberwachungsgerätes;
Fig. 5 erläutert als Beispiel den einfachsten Aufbau eines stabilisierenden Verstärkungsrechners.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Die bevorzugten Ausführungsformen gemäß der Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert.
Die vorliegende Erfindung übernimmt verschiedene Ergebnisse, die insoweit in der nicht linearen Steuertheorie etabliert sind. Als Folge hiervon kann eine Rückkopplungsverstärkung K erhalten werden, die die Stabilität des Fluss- und Geschwindigkeitüberwachungsgerätes unter jeder möglichen Arbeitsbedingung sicherstellt, ohne dass die dynamischen Charakteristiken des Überwachungsgerätes stark verändert werden müssten.
Da die Rückkopplungsverstärkung K als eine sehr einfache Funktion von Parametern, die sich im Wesentlichen nicht auf den Motor beziehen und der Arbeitsgeschwindigkeit erhalten werden kann, kann die Realisierung und Implementierung ohne bemerkenswerte Schwierigkeiten durchgeführt werden. Weiterhin kann bei einem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung im Gegensatz zu bislang insoweit vorgeschlagenen Verfahren die Rückkopplungsverstärkung einen Wert annehmen, der nicht unbegrenzt ansteigt und der sogar erhalten werden kann, wenn die Primärfrequenz sich dem Wert "0" nähert (singulären Bedingungen).
Falls ein Fehler der Winkelrotorgeschwindigkeit als Δω_r = ω_r - ω_r, definiert wird, dann wird ein Schätzfehler e_i = î_s - i_s eines geschätzten Statorausgangsstroms durch die Gleichungen (1) und (2) ermittelt:

wobei s der Laplace-Operator ist.
Fig. 2 dient zur Erläuterung eines Beispiels eines Ausgangsfehlerblockes, der die Gleichung (5) erfüllt.
In Fig. 2 ist ein Statorstromabschätzfehlersystem als eine Zwischenverbindung einer nicht linearen Rückkopplungsübertragungsfunktion und einer linearen Übertragungsfunktion beschrieben worden.
Wenn die folgenden beiden Bedingungen gemäß Fig. 2 erfüllt werden, wird das Fluss- und Geschwindigkeitsüberwachungsgerät stabilisiert:

Bedingung 1

Eine nicht-lineare Rückkopplung 20 gemäß Fig. 2 genügt der Ungleichung von Popov, die als Stabilitätsbestimmungsverfahren für ein nicht-lineares Steuersystem bekannt ist. Demzufolge existiert eine Konstante γ, welche nicht von der Zeit t abhängig ist, und genügt der folgenden Ungleichung für jedes t₁ > t₀:

Bedingung Nr. 2

Eine lineare Transferfunktion G₁(s) eines linearen Dauerzustandsblocks 10, der in Fig. 2 gezeigt ist, ist stabil, und der Phasenwinkel zwischen Eingang und Ausgang liegt in einem Bereich von ± π/2.
Da mechanische Bauelemente relativ niedrige, dynamische Charakteristiken im Hinblick auf die Bedingung 1 haben, ist es leicht, die Gleichung:

in Fig. 2 zu implementieren, falls die tatsächliche Geschwindigkeit als nahezu konstant angesehen wird.
Die folgende Gleichung kann aus den obigen Gleichungen (3) und (6) erhalten werden:
Es ist klar, dass die Gleichung (7) die Popov-Ungleichung (6) erfüllt, da die Gleichung (7) die Rückkopplungsverstärkung K mit einschließt. Demzufolge erfüllt Fig. 2 die Bedingung Nr. 1.
Als nächstes wird die lineare Übertragungsfunktion G₁(s) in der Gleichung (5) im Hinblick auf die Bedingung 2 betrachtet.
Es wird angenommen, dass keine Rückkopplungsverstärkung K vorliegt, d. h. dass K = 0 ist. In diesem Fall liegt, wenngleich die Transferfunktion G₁(s) stabil ist, die Phasenverschiebung zwischen Eingang und Ausgang außerhalb des Bereiches ± π/2 für hinreichend kleine Frequenzen, was das Überwachungsgerät instabil macht.
Demzufolge ist es für die Stabilität des in Fig. 2 gezeigten Systems erforderlich, eine Verstärkungsmatrix K zu bestimmen, die der Stabilitätsbedingung von Popov Genüge tut, und weiterhin, so dass die gesamte dynamische Matrix (A + KC) für das Flussüberwachungsgerät selbst stabil bleibt.
Die Transferfunktion G₁(s) in Gleichung (5) kann verifiziert werden, so dass sie, basierend auf einer primären Frequenz, ihr Vorzeichen ändert. Dies wirkt sich auf die Phase wie folgt aus:
Diese Gleichung bedeutet, dass lediglich ein einziger Weg vorliegt, um Stabilität zu erhalten, wenn die Primärfrequenz einen sehr kleinen positiven oder negativen Wert hat, um die folgende Gleichung zu erfüllen:
Diese Gleichung (9) wird immer dann erfüllt, wenn die Rückkopplungsverstärkung K zweckmäßig so gewählt wird, dass sie der folgenden Gleichung (10) genügt:
Soweit die Gleichung (10) erfüllt worden ist, ist jede Rückkopplungsverstärkung K in der durch die Gleichung (2) dargestellten Funktion akzeptabel, und die Fluss- und Geschwindigkeitsüberwachung wird global stabilisiert.
Die Rückkopplungsverstärkung K kann aus der Gleichung (2) wie folgt definiert werden:
Es sind dort vier Parameter (k₁. . .k₄) vorhanden, welche beliebig gewählt werden können, um die Rückkopplungsverstärkung K auszuwählen, und lediglich eine Einschränkung dieser Auswahl ist durch die Gleichung (10) gegeben. Demzufolge können Optionen auf ein globales Stabilitätsproblem vorgeschlagen werden, und eine zweckmäßige Lösung kann unter diesen Optionen ausgewählt werden, und zwar entsprechend anderen Bedingungen.
Diese Auswahlmethode für die Rückkopplungsverstärkung K kann beispielsweise durch Auswahl der Parameter, wie folgt angegeben, vereinfacht werden:

k₁ = k₄ = 0 (12).
Wenn sichergestellt ist, dass der Parameter k₃ der Rückkopplungsverstärkung K die Einschränkung der Gleichung (10) nicht berührt, stellt sich lediglich der Verstärkungsparameter k₂ heraus, um die Einschränkung der Gleichung (10) zu beeinflussen. Demzufolge kann die Rückkopplungsverstärkung K so hergeleitet werden, dass sie immer der Gleichung (10) genügt.
Unter Berücksichtigung dieser Tatsache führt dies für den Parameter k₂ zu der folgenden Gleichung (13):
Aus der obigen Diskussion kann die folgende, einfache Gleichung für die Ermittlung der Rückkopplungsverstärkung K erhalten werden:
Die Rückkopplungsverstärkung K, die der Gleichung (14) Genüge tut, stabilisiert das Überwachungsgerät bei jeder Geschwindigkeit oder bei irgendeiner primären Frequenz, bei welcher das Fluss- und Geschwindigkeitsüberwachungsgerät sich mit einem seiner Pole im Ursprung befindet (Stabilitätsgrenze), mit Ausnahme der singulären Bedingung, dass die Primärfrequenz exakt gleich "0" ist.
Es lässt sich aus der Gleichung (13) belegen, dass der Parameter k_2c der Rückkopplungsverstärkung K linear mit einer Erhöhung der Arbeitsgeschwindigkeit zunimmt. Die Arbeitsfrequenz kann jedoch nicht sehr viel kleiner für eine hinreichend hohe Geschwindigkeit gemacht werden, und zwar als Folge der Begrenzung des Schlupfes der Induktionsmaschine.
Um sich diesem Problem zuzuwenden, wird eine obere Grenze für den Wert der Rückkopplungsverstärkung K festgelegt, welche aus der Gleichung (14) erhalten wird, wobei der Wert so begrenzt wird, dass er in einen speziellen Bereich fällt, falls er diesen Bereich überschreitet. Beispielsweise kann die Arbeitsgeschwindigkeit ungefähr doppelt so hoch (oder dreifach so hoch) wie der vorgesehene Schlupf ω_{s, rat} des Motors in Betrieb z. B. als Nennwert angesetzt werden usw., und es wird ein Maximum festgelegt, an welchem ein Abschneiden (clippong) für eine Winkelgeschwindigkeit ω_r stattfindet, so dass die obere Grenze der Rückkopplungsverstärkung K fest liegt. Auf diese Art und Weise werden keine negativen Effekte auf die Stabilität des Antriebes bei einer Betriebsfrequenz in der Nähe von 0 ausgeübt.
Welchen Wert der Parameter k₃ der Rückkopplungsverstärkung K auch immer einnimmt, er muss der Gleichung (14) Genüge tun. Demzufolge kann die Auswahl des Parameters k₃ verwendet werden, um die dynamischen Charakteristiken des Stabilitätsbereiches des Fluss- und Geschwindigkeitsüberwachungsgerätes zu verbessern, und zwar so, wie er durch die Gleichung (2) repräsentiert worden ist.
Irgendein Standardverfahren kann zur Auswahl des Parameters k₃ eingesetzt werden. Beispielswiese kann der Parameter k₃ durch Linearisierung eines Systems erhalten werden, das durch den Motor, der durch die Gleichung (1) dargestellt worden ist, und durch das Überwachungsgerät, konfiguriert worden ist, welches durch die Gleichung (2) dargestellt worden ist, und zwar in der Nähe eines Gleichgewichtarbeitspunktes oder durch den Einsatz vieler Mittel, die aus der etablierten, linearen Steuertheorie hergeleitet werden können.
Welcher Wert für den Parameter k₃ auch immer ausgewählt wird, das Überwachungsgerät verbleibt in dem gesamten Bereich stabil, solange die anderen Parameter der Verstärkung K, welche aus den Gleichungen (12) und (13) hergeleitet werden, nicht verändert werden.
Fig. 3 zeigt das Steuersystem für einen gleichfeldorientierten Induktionsmotorantrieb ohne Geschwindigkeitssensor und/oder ohne Drehstellungssensor nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
Im Hinblick auf das in Fig. 1 gezeigte System ist das Fluss- und Geschwindigkeitsüberwachungsgerät 300 in Fig. 3 anstelle des Fluss- und Geschwindigkeitsüberwachungsgerätes 110 nach Fig. 1 eingesetzt worden. In Fig. 2 sind ansonsten die gleichen Bauelemente wie die in Fig. 1 verwendet worden, jedoch mit anderen Bezugszahlen, wenngleich ihre Arbeitsweise grundsätzlich die gleiche ist wie diejenige, die an Hand der Fig. 1 erläutert worden ist.
Das insgesamt stabile Fluss- und Geschwindigkeitsüberwachungsgerät 300 gemäß der bevorzugten Ausführungsform wird in einem Standard-Direktvektorsteuermechanismus eingesetzt. Das Fluss- und Geschwindigkeitsüberwachungsgerät 300 gibt einen beobachteten Rotorflusswert 310, welcher von Vektordreheinrichtungen 104 und 105 zur Feldorientierung verwendet wird. Ein Spannungsvektor v_s 208 und ein Stromvektor i_s 209 werden aus einer festgestellten Spannung 206 und aus einem ermittelten Strom 207 transformiert, welche von Sensoren 108 und 109 gemessen werden, und werden in ein zweiphasiges Koordinatensystem durch 3-2-Phasenwandler 102 und 103 umgewandelt. Das Fluss- und Geschwindigkeitsüberwachungsgerät 300 ist als eine einzelne Einheit in der in Fig. 3 gezeigten Konfiguration verwendet worden; jedoch kann das Fluss- und Geschwindigkeitsüberwachungsgerät 300 auch separat in Form eines Flussüberwachungsgerätes und eines Geschwindigkeitsüberwachungsgerätes ausgeführt werden.
Zusätzlich gibt das Fluss- und Geschwindigkeitsüberwachungsgerät 300 eine geschätzte Rotorgeschwindigkeit 311, hergeleitet aus dem Spannungsvektor v_s 208 und dem Stromvektor i_s 209, als Ausgang aus. Die geschätzte Motorgeschwindigkeit 311 wird als externe Geschwindigkeitssteuerschleife für den Geschwindigkeitsregler 107 eingesetzt.
Fig. 4 dient zur Erläuterung des Aufbaus des in Fig. 3 gezeigten Fluss- und Geschwindigkeitsüberwachungsgerätes 300.
Bei der in Fig. 4 gezeigten Ausführungsform werden die beobachteten Rotorflusssignale 310 und die geschätzte Rotorgeschwindigkeit 311 aus dem Spannungsvektor v_s 208 bzw. dem Stromvektor i_s 209 nach den Gleichungen (2) und (3) hergeleitet und als Ausgang ausgegeben.
In dem Fluss- und Geschwindigkeitsüberwachungsgerät 300 wird eine arithmetische Operationseinheit 411 eingesetzt, um den Unterschied zwischen einem gemessenen Stromvektor i_s 209 und einem beobachteten Wert 327 zu berechnen, der durch das Fluss- und Geschwindigkeitsbeobachtungsgerät 300 berechnet wird. Die berechnete Differenz wird an Verstärker 406 und 410 als Abschätzungsfehler e_i 325 des Statorstromes angelegt.
Der Multiplikator 406 multipliziert den Schätzfehler e_i 325 mit der Rückkopplungsverstärkung K, die durch einen stabilisierenden Verstärkungsberechner 400 erhalten wird, der nachfolgend beschrieben wird, und gibt das Ergebnis der Multiplikation zu einem Addierglied 404.
Außerdem erhält ein Motorschätzelement 401 im Geschwindigkeits- und Flussüberwachungsgerät 300 die Werte des ersten und des zweiten Termes in Gleichung (2) von dem Eingangsspannungsvektor v_s 208 und dem geschätzten Motorgeschwindigkeitswert 311, den das Fluss- und Geschwindigkeitsüberwachungsgerät 300 selbst berechnet. Sodann gibt der Addierer 404 den Wert, der durch Addieren des Wertes des dritten Termes Ke_i als Eingang vom Multiplizierer 406 erhalten worden ist, zur Summe des ersten und des zweiten Termes in der Gleichung (2) von dem Motorabschätzungsglied 401 hinzu. Dieser Wert wird durch einen Integrator 403 integriert.
Der Ausgang des Integrators 403 wird den Multiplikatoren 402 und 405 und dem Motorabschätzglied 401 als Eingang eingegeben. Das Motorabschätzglied 401 verwendet den Ausgang des Integrators 403, um den ersten Term der Gleichung (2) zu erhalten. Der Multiplikator 402 multipliziert den Ausgang des Integrators 403 mit einer festen Wertmatrix (L_sgI - L_mgI), welche von der Motorcharakteristik abhängt, um auf diese Art und Weise den beobachteten Wert 327 des Statorstroms zu erhalten, welcher durch die arithmetische Operationseinheit 411 verwendet wird, um den Schätzfehler e_i 325 des Statorstroms zu erhalten. Der Multiplikator 405 multipliziert den Ausgang des Integrators 403 mit einer Matrix [0(0 Matrix)I], um auf diese Art und Weise den Ausgangswert 310 zu erzeugen.
Der Multiplikator 410 multipliziert den Schätzfehler e_i 325 des Statorstroms mit dem Resultat der Multiplikation, das Ausgang des Multiplikators 409 ist. Das beobachtete Rotorflusssignal 310 wird durch einen Umsetzer 412 mit Hilfe einer Matrix J 323 umgesetzt, und das Ergebnis der Multiplikation gelangt über den Multiplikator 410 zum Multiplikator 408. Der Multiplikator 408multipliziert diesen Wert mit einem willkürlich gewählten, positiven Verstärkungswert k_ω 324 nach der Gleichung (3). Ein Integrator 407 integriert dieses Ergebnis, um den geschätzten Motorgeschwindigkeitswert 311 zu erhalten.
Der stabilisierende Verstärkungsrechner 400 erhält die Rückkopplungsverstärkung K 326 zur Stabilisierung, welche der Gleichung (10) genügt, und zwar aus der geschätzten Motorgeschwindigkeit 311, die das Fluss- und Geschwindigkeits beobachtungsgerät 300 selbst berechnet, und ausfixierten Parametern, die die Charakteristik des Motors wiedergeben.
Fig. 5 dient zur Erläuterung der einfachsten Ausführungsform des stabilisierenden Verstärkungsrechners 400 nach Fig. 4.
Der stabilisierende Verstärkungsrechner 400 hat die in Fig. 5 gezeigte Konfiguration und stellt die Parameter k₁, k₃ und k₄ auf 0 und berechnet lediglich den Parameter k₂ aus der abgeschätzten Motorgeschwindigkeit 311.
Die Berechnung des Parameters k₂ wird auf der Gleichung (13) basierend durchgeführt. Falls ein Eingangsabsolutwert der geschätzten Motorgeschwindigkeit 311 gleich oder größer als ein begrenzender Wert ω_lim ist, schneidet ein Begrenzer 501 die geschätzte Motorgeschwindigkeit 311 auf diesen Begrenzungswert ab, wie dies in Fig. 5 im Bild dargestellt ist, um einen absoluten Wert so festzulegen, dass er in den Begrenzungsbereich fällt, und gibt die nach oben hin begrenzte, geschätzte Motorgeschwindigkeit 311 unter Berücksichtigung des Falles weiter, in welchem die Gleichung (10) zu Folge der geschätzten zu hohen oder zu niedrigen Motorgeschwindigkeit 311 nicht erfüllt wird.
Sodann multipliziert ein Multiplikator 502 diesen Ausgangswert 504 mit einem festen Wert -L_r.R_s/R_r 505, welcher von den Standardparametern des Induktionsmotors 100 abhängig ist, um den Parameter k₂ zu erhalten. Eine arithmetische Recheneinheit 500 berechnet die Stabilisierungsrückkopplungsverstärkung K 326 aus dem Parameter k₂ und den Werten 503 (welche alle auf 0 eingestellt worden sind) für k₁, k₃ und k₄ und gibt die Rückkopplungsverstärkung K 326 aus.
Wie weiter oben in Einzelheiten beschrieben worden ist, können stabile Betriebszustände für den gesamten Arbeitsfrequenzbereich gemäß der vorliegenden Erfindung realisiert werden.
Zusätzlich ist es möglich, da die Verfahren zur Abschätzung der Rückkopplungsverstärkung des auf MRAS basierenden Flusses und des Geschwindigkeitsüberwachungsgerätes vorgeschlagen worden sind, Probleme zu bewältigen, die mit der regenerativen Arbeitsweise bei niedriegen Geschwindigkeiten verbunden sind, falls sich nämlich die Primärfrequenz dem Wert "0" nähert, was dazu führt, dass ein Fluss- und Geschwindigkeitsüberwachungsgerät bei bekannten Verfahren einen Fehler verursacht. Als Ergebnis hiervon kann eine über den gesamten Bereich stabile Arbeitsweise des Antriebs sichergestellt werden.
Weiterhin kann eine Rückkopplungsverstärkung erhalten werden, deren Wert selbst dann nicht unbestimmt wird, wenn sich die Primärfrequenz dem Wert "0" nähert.
Weiterhin kann eine Rückkopplungsverstärkung erhalten werden, indem eine einfache algebraische Gleichung gelöst wird.
Weiterhin kann eine Rückkopplungsverstärkung K als eine sehr einfache Funktion von im Wesentlichen solchen Parametern, die keine Motorparameter sind, und der Arbeitsgeschwindigkeit erhalten werden. Demzufolge erhält man eine Rückkopplungsverstärkung K, die die Stabilität des Fluss- und Geschwindigkeitsüberwachungsgerätes unter jeder möglichen Arbeitsbedingung sicherstellt, ohne wesentlich von den dynamischen Charakteristiken des Überwachungsgerätes abzuweichen. Demzufolge ist es sehr einfach, die vorliegende Erfindung gewerblich zu realisieren und zu implementieren.

Claims

1. Steuervorrichtung zur Vektorsteuerung eines Induktionsmotors (100), der wenigstens weder einen Geschwindigkeitsnoch einen Stellungssensor aufweist, umfassend:
eine Überwachungseinheit (300), die eine Rückkopplungsverstärkung (K) unter Verwendung eines Abschätzfehlers des Statorstromes bestimmt und ermittelt und wenigstens entweder einen beobachteten Flusswert oder einen abgeschätzten Geschwindigkeitswert, basierend auf der Rückkopplungsverstärkung (K), ausgibt und
eine Steuereinheit, die den Induktionsmotor (100), basierend auf einem Eingang der Überwachungseinheit (300), steuert.

2. Steuervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungseinheit (300) einen Wert festlegt, der der Gleichung:

genügt und als Rückkopplungsverstärkung für eine Transferfunktion (G₁) festlegt, welche der lineare Bereich eines Systems des Schätzfehlers des Statorstromes ist.

3. Steuervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungseinheit (300) die Rückkopplungsverstärkung (K), basierend auf den Gleichungen:

festlegt, wobei Lr die Rotorinduktivität, R_s der Statorwiderstand, R₃ der Rotorwiderstand und ω_r die Rotorwinkelgeschwindigkeit ist und weiterhin gilt:

4. Steuervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungseinheit (300) die Rückkoplungsverstärkung (K) als eine Größe festlegt, welche innerhalb eines bestimmten Bereiches liegt, falls die Rotorgeschwindigkeit des Induktionsmotors (100) gleich oder größer als ein vorher fesgelegter Wert ist.

5. Steuervorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungseinheit (300) die Rückkopplungsverstärkung (K) unter Verwendung eines Wertes für die Rotorwinkelgeschwindigkeit (ω₃) (504) bestimmt, welcher in einem vorbestimmten Bereich eingegrenzt ist.

6. Steuervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit aufweist:
eine Vektordreheinheit (104, 105), welche eine Vektordrehung, basierend auf dem Ausgang der Überwachungseinheit (300) durchführt, und
eine Stromregeleinheit (106), die einen Strombefehl an den Induktionsmotor ausgibt, der auf dem Ausgang der Überwachungseinheit (300) basiert.

7. Überwachungseinrichtung, welche für eine Vektorsteuerung eines Induktionsmotors eingesetzt wird, welche weder einen Geschwindigkeitssensor noch einen Stellungssensor aufweist, umfassend:
eine Rückkopplungsverstärkungsbestimmungseinheit (400), welche die Rückkopplungsverstärkung unter Verwendung eines Abschätzfehlers des Statorstromes bestimmt, und
eine Ausgabeeinheit, welche entweder einen beobachteten Flusswert oder einen abgeschätzten Geschwindigkeitswert, basierend auf der Rückkopplungsverstärkung, erhält und ausgibt.

8. Überwachungseinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückkopplungsverstärkungsbestimmungseinheit (400) die Rückkopplungsverstärkung als eine Größe festlegt, welche innerhalb eines bestimmten Bereiches liegt, falls die Drehgeschwindigkeit des Induktionsmotors gleich oder größer als ein vorgegebener Wert ist.

9. Verfahren zur Vektorsteuerung eines Induktionsmotors der weder wenigstens einen Geschwindigkeitssensor noch einen Stellungssensor aufweist, umfassend:
Bestimmen einer Rückkopplungsverstärkung unter Verwendung eines Abschätzfehlers des Statorstromes und
Erhalten wenigstens eines beobachteten Flusswertes oder eines abgeschätzten Geschwindigkeitswertes, basierend auf der Rückkopplungsverstärkung.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückkopplungsverstärkung eine Größe hat, welche innerhalb eines vorbestimmten Bereiches liegt, falls die Rotorgeschwindigkeit des Induktionsmotors gleich oder größer als ein vorher festgelegter Wert ist.