DE102005054897A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Steuern des Starts eines Elektromotors - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum Steuern des Starts eines Elektromotors Download PDF

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Abstract

Es werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Steuern des Starts eines Reluktanz-Synchronmotors angegeben. Diese Vorrichtung ist mit Folgendem versehen: DOLLAR A - einer Spannungsanlegeeinrichtung zum Erzeugen anzulegender Spannungen zum Abschätzen einer Anfangsposition des Rotors; DOLLAR A - einem Motortreiber-Spannungsgenerator, der SKS-Spannungen (Spannungen in einem stationären Koordinatensystem), die die angelegten Spannungen enthalten, in dreiphasige Motortreiberspannungen wandelt und diese an den Motor legt; DOLLAR A - einer Stromentnahmeeinrichtung, die Antwortstromkomponenten i¶alpha-inj¶, i¶beta-inj¶ auf die angelegten Spannungen aus zweiphasigen SKS-Strömen entnimmt, die aus bei der Drehung des Motors erfassten dreiphasigen Strömen gewandelt wurde; und DOLLAR A - einer Position/Drehzahl-Abschätzeinrichtung zum Entnehmen von Antwortstromkomponenten in Zusammenhang mit der Rotorposition aus den genannten Antwortstromkomponenten i¶alpha-inj¶, i¶beta-inj¶ in Bezug auf die angelegten Spannungen, um eine Rotorpositionsabweichung e zu berechnen, und zum Absetzen der Drehzahl DOLLAR I1 und der Position DOLLAR I2 des Rotors aus dieser berechneten Rotorpositionsabweichung.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Steuern des Starts eines Elektromotors, speziell eines Reluktanz-Synchronmotors.
  • Ein Reluktanz-Synchronmotor ist so konfiguriert, dass eine Ansteuerungsquelle für einen Rotor synchron mit der für einen Stator arbeitet und sich der Rotor so dreht, dass der in ihm erzeugte Widerstand minimal ist, wenn ein Strom durch den Stator fließt. Um einen Reluktanz-Synchronmotor anzusteuern, sollte die Rotorposition bekannt sein. Die Rotorposition kann direkt unter Verwendung eines Rotorpositionsdetektors, wie eines Codierers, erfasst werden. Jedoch kann z.B. bei einem Kompressor für einen Kühlschrank oder eine Klimaanlage kein Rotorpositionsdetektor verwendet werden, da die Innentemperatur des Kompressors extrem hoch ist. So wird ein Reluktanz-Synchronmotor für einen Kompressor durch ein sensorfreies Steuerungssystem gesteuert.
  • Nun wird ein typisches sensorfreies Steuerungssystem unter Bezugnahme auf die 1 detailliert beschrieben. Dieses sensorfreie Steuerungssystem verfügt über einen Solldrehmomentstrom-Generator 10, einen mit einem RKS-Spannungsgenerator 20 (Generator zum Erzeugen einer Spannung in einem rotierenden Koordinatensystem), einen mit einem SKS-Spannungsgenerator 30 (Generator zum Erzeugen einer Spannung in einem stationären Koordinatensystem), einen Motortreiber-Spannungsgenerator 40 und einen Koordinatensystemwandler 50. Der Solldrehmomentstrom-Generator 10 erzeugt einen Solldrehmomentstrom iq* zum Kompensieren eines Fehlers, der durch die Differenz zwischen einer Solldrehzahl ω* und einer abgeschätzten Rotordrehzahl ω ~ hervorgerufen wird. Der RKS-Spannungsgenerator 20 erzeugt eine Solldrehmomentspannung vq* zum Kompensieren eines Fehlers, der durch die Differenz zwi schen dem Solldrehmomentstrom iq* und einem Istdrehmomentstrom iq hervorgerufen wird, sowie eine Sollflussspannung vd* zum Kompensieren eines Fehlers, der durch die Differenz zwischen einem Sollfluss λd* und einem Istfluss λ ^d hervorgerufen wird. Der SKS-Spannungsgenerator 30 wandelt die Solldrehmomentspannung vq* und die Sollflussspannung vd*, die beide RKS-Spannungen sind, in SKS-Spannungen vα*, vβ*, die der Motortreiber-Spannungsgenerator 40 mittels Raumspannungsvektor-Impulsbreitenmodulation (SVPWM = Space-Voltage Vector Pulse Width Modulation) in Dreiphasenspannungen vU, vV, vW wandelt, die er dann an den Reluktanz-Synchronmotor (SynRM-Motor) anlegt. Der Koordinatensystemwandler 50 wandelt Dreiphasenströme iU, iV, wie sie bei der Drehung des Reluktanz-Synchronmotors erfasst werden, in SKS-Ströme iα, iβ, und dann wandelt er wiederum diese in RKS-Ströme id, iq.
  • Außerdem enthält das sensorfreie Steuerungssystem ferner eine Flussbeobachtungseinheit 60 zum Ausgeben eines auf der α-Achse und der β-Achse des stationären Koordinatensystems des Motors beobachteten Flusses λ ^αβ, eines abgeschätzten Flusses λ ~dq auf einer d- und einer q-Achse des rotierenden Koordinatensystems sowie eines beobachteten Flusses λ ^q auf der q-Achse des rotierenden Koordinatensystems aus den SKS-Spannungen vα, vβ sowie den SKS-Strömen iα, iβ, wie sie in den Motor eingegeben werden.
  • Dabei werden der beobachtete Fluss λ ^αβ und der abgeschätzte Fluss λ ~dq aus den folgenden Gleichungen 1 und 2 unter Verwendung der erfassten Spannung vαβ und der Ströme iαß, idq, des vorbestimmten Widerstands R der Statorwicklung und eines Magnetmodells berechnet: λ ~dq = L(idq) [Gleichung 1] λ ^αβ = [s/(s + g)][(vαβ-Rsiαβ)/s] + [(g/(s + g)]λ ~αβ [Gleichung 2]
  • Außerdem verfügt dieses sensorfreie Steuerungssystem ferner über eine Position/Drehzahl-Abschätzeinrichtung 70 zum Abschätzen des Rotationswinkels Θ ~ des Rotors aus dem beobachteten Fluss λ ^αβ, λ ^q und dem abgeschätzten Fluss λ ~dq, wie sie von der Flussbeobachtungseinrichtung 60 ausgegeben werden, auf Grundlage einer vorbestimmten Gleichung sowie zum Abschätzen der Rotordrehzahl ω ~ aus dem abgeschätzten Rotationswinkel Θ ~.
  • Das in diesen Reluktanz-Synchronmotor eingebaute sensorfreie Steuerungssystem verwendet in einem anfänglichen Startzeitraum (d.h. einem Intervall ab einem Stillstand des Rotors bis zu einer niedrigen Drehzahl desselben) einen Algorithmus für den Betrieb ab dem Start bis zu einer Signaleingabe, wenn wenig Eingangs/Ausgangs-Information vorliegt. Daher verfügt ein typisches sensorfreies Steuerungssystem ferner über eine Flusseinspeisevorrichtung 80 für die d-Achse, die zum Erzeugen eines kleinen Erregungssignals λd-inj* verwendet wird, das dazu erforderlich ist, die Position des Rotors abzuschätzen.
  • Beim so konfigurierten sensorfreien Steuerungssystem müssen der beobachtete Fluss λ ^αβ und der abgeschätzte Fluss λ ~dq erhalten werden, um die Rotorposition abzuschätzen. Dazu sind der Widerstand Rs der Statorwicklung und das Magnetmodell λ ~dq = L(idq) vorab zu spezifizieren. Diese Motorkonstanten werden über einen speziellen Versuch oder durch Simulation spezifiziert.
  • Demgemäß müssen, wenn sich die Spezifikation eines Reluktanz-Synchronmotors ändert, der Widerstand Rs des Stators und das Magnetmodell neu durch Versuch oder Simulation erhalten werden. Ferner besteht ein Problem dahingehend, dass die erhaltenen Werte bei einem Startalgorithmus anzuwenden sind, so dass der Motor durch einen neuen Startalgorithmus betrieben werden sollte.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Steuern des Starts eines Elektromotors durch Abschätzen der Position und der Drehzahl eines Rotors ohne Verwendung von Motorkonstanten zu schaffen.
  • Diese Aufgabe ist durch die Vorrichtungen gemäß den beigefügten unabhängigen Ansprüchen 1 und 3 sowie das Verfahren gemäß dem Anspruch 11 gelöst. Gemäß der Erfindung wird eine Rotorpositionsabweichung aus dem Antwortstrom beim Einspeisen einer Spannung abgeschätzt, ohne dass dazu Motorkonstanten wie ein Statorwiderstand und ein Magnetmodell erforderlich wären. Daher kann auch immer derselbe Positions/Drehzahl-Abschätzalgorithmus verwendet werden, ohne dass irgendeine Änderung der Motorspezifikation zu berücksichtigen wäre. Die Erfindung wird nachfolgend anhand von durch Figuren veranschaulichten Ausführungsformen näher erläutert.
  • 1 ist ein Blockdiagramm, das ein bekanntes sensorfreies Steuerungssystem für einen Reluktanz-Synchronmotor zeigt;
  • 2 ist ein Blockdiagramm, das den Aufbau eines sensorfreien Steuerungssystems, das mit einer Vorrichtung zum Steuern des Starts eines Elektromotors gemäß einer Ausführungsform der Erfindung versehen ist;
  • 3 ist eine Ansicht, die die Ausgangscharakteristik einer in der 2 dargestellten Spannungsanlegeeinrichtung zeigt;
  • 4 ist eine Ansicht, die detailliert den Aufbau einer in der 2 dargestellten Position/Drehzahl-Abschätzeinrichtung zeigt; und
  • 5 ist ein Flussdiagramm zum Veranschaulichen eines Abschätzvorgangs für die Position und die Drehzahl eines Rotors bei einer Vorrichtung zum Steuern des Starts eines Elektromotors gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
  • In der folgenden Beschreibung werden gut bekannte Funktionen und Konfigurationen, wie sie bei der jeweils beschriebenen Ausführungsform der Erfindung verwendet werden, weggelassen, um die Darstellung des Gegenstands der Erfindung nicht zu verändern.
  • Das in der 2 dargestellte sensorfreie Steuerungssystem mit einer Steuerungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung verfügt im Wesentlichen über einen Solldrehmomentstrom-Generator 100, der einen Solldrehmomentstrom iq* zum Kompensieren eines Fehlers erzeugt, der durch die Differenz zwischen einer Solldrehzahl ω* und einer abgeschätzten Rotordrehzahl ω ~ hervorgerufen wird; und einen RKS-Spannungsgenerator 110, der eine Solldrehmomentspannung vq-con* zum Kompensieren eines Fehlers, der durch die Differenz zwischen dem Solldrehmomentstrom iq* und einem Istdrehmomentstrom iq-con hervorgerufen wird, und eine Sollflussspannung vd-con* zum Kompensieren eines Fehlers, der durch die Differenz zwischen einem Sollflussstrom id* und einem Istflussstrom id-con hervorgerufen wird, erzeugt.
  • Das sensorfreie Steuerungssystem verfügt ferner über eine Spannungsanlegeeinrichtung 120 zum Erzeugen anzulegender Spannungen zum Abschätzen der Anfangsposition des Rotors. Wie es in der 3 dargestellt ist, gibt die Spannungsanlegeeinrichtung 120 anzulegende Spannungen vα-inj*, vβ-inj* für ein stationäres Koordinatensystem aus, das zum Repräsentieren einer α-Achse-Spannung und einer β-Achse-Spannung dient. In der 3 bezeichnet Θh den Rotationswinkel in Bezug auf die angelegte Spannung, was durch 2πfht darstellbar ist. Hierbei bezeichnet fh die Frequenz der anzulegenden Spannung. Gemäß erneuter Bezugnahme auf die 2 verfügt das sensorfreie Steuerungssystem über einen Motortreiber-Spannungsgenerator 130, der die SKS-Spannungen vα*, vβ*, die die anzulegenden Spannungen vα-inj*, vβ-inj* enthalten, in dreiphasige Motortreiberspannungen vU, vV, vW wandelt und diese an den Motor (SynRM) anlegt. Dazu verfügt der Motortreiber-Spannungsgenerator 130 über einen zweiten Koordinatenwandler 132 zum Wandeln der Solldrehmomentspannung vq-con* und der Sollflussspannung vd-con*, die beide RKS-Spannungen sind, in die SKS-Spannungen vα-con*, vβ-con*; einen Addierer 134 zum Addieren der anzulegenden Spannungen vα-inj*, vβ-inj* zu den SKS-Spannungen vα-con*, vβ-con*, wie sie vom zweiten Koordinatenwandler 132 ausgegeben werden; und eine Motortreibereinheit 140 zum Wandeln der die anzulegenden Spannungen enthaltenden SKS-Spannungen vα*, vβ* durch Raumvektormodulation (SVM), um die dreiphasigen Motortreiberspannungen zu erzeugen. Die Motortreibereinheit verfügt über einen typischen Inverter.
  • Dieses sensorfreie Steuerungssystem gemäß einer Ausführungsform der Erfindung verfügt ferner über einen Dreiphasenkoordinaten/Stationärkoordinaten-Wandler 150 zum Wandeln der bei der Drehung des Motors erfassten dreiphasigen Ströme iU, iV in zweiphasige SKS-Ströme iα, iβ; und eine Stromentnahmeeinrichtung 160 zum Entnehmen von Antwortströmen iα-inj iβ-inj, die den angelegten Spannungen vα-inj*, vβ-inj* entsprechen, aus den zweiphasigen SKS-Strömen iα, iβ. Die Stromentnahmeeinrichtung 160 kann durch ein Bandpassfilter zum Entnehmen von den angelegten Spannungen entsprechenden Stromkomponenten realisiert sein.
  • Die zweiphasigen SKS-Ströme iα, iβ enthalten Antwortströme iα-con, iβ-con, die den SKS-Steuerspannungen vα-con* vβ-con* entsprechen. Diese Antwortströme sind dazu erforderlich, einen Istdrehmomentstrom iq-con und einen Istflussstrom id-con zu erzeugen. Demgemäß verfügt dieses sensorfreie Steuerungssystem über einen ersten Koordinatenwandler 170 zum Entfernen der den angelegten Spannungen entsprechenden Stromkomponenten aus den zweiphasigen SKS-Strömen iα, iβ und zum anschließenden Wandeln derselben in die RKS-Ströme iq-con, dd-con unter Verwendung einer abgeschätzten Rotorposition Θ ~ Der erste Koordinatenwandler 170 verfügt über ein Kerbfilter zum Beseitigen der den angelegten Spannungen entsprechenden Stromkomponenten.
  • Schließlich verfügt das sensorfreie Steuerungssystem ferner über eine Position/Drehzahl-Abschätzeinrichtung 180 zum Entnehmen von Antwortströmen in Zusammenhang mit der Rotorposition aus den Antwortströmen iα-inj, iβ-inj, die den angelegten Spannungen entsprechen und in der Stromentnahmeeinrichtung 160 entnommen wurden, um eine Rotorpositionsabweichung e zu berechnen und die Drehzahl ω ~ und die Position Θ ~ des Rotors aus der berechneten Rotorpositionsabweichung e abzuschätzen.
  • Wie es in der 4 dargestellt ist, verfügt diese Position/Drehzahl-Abschätzeinrichtung 160 über Folgendes:
    • – einen dritten Koordinatenwandler zum Wandeln der Antwortstromkomponenten iα-inj, iβ-inj in Bezug auf die angelegten Spannungen in RKS-Antwortstromkomponenten ihd, ihq unter Verwendung des. Rotationswinkels Θh des Rotors in Bezug auf die angelegten Spannungen;
    • – mindestens ein Hochpassfilter zum Entnehmen von Antwortstromkomponenten ihd-hp, ihq-hp in Bezug auf die Rotorposition aus den RKS-Antwortstromkomponenten ihd, ihq;
    • – einen vierten Koordinatenwandler zum Wandeln der Antwortstromkomponenten ihd-hp, ihq-hp in Zusammenhang mit der Rotorposition in SKS-Antwortstromkomponenten ihα, ihβ unter Verwendung des verstärkten Rotationswinkels Θh;
    • – eine Positionsabweichungs-Berechnungseinrichtung zum Berechnen der RKS-Antwortstromkomponenten ihα, ihβ und der abgeschätzten Rotorposition Θ ~ auf Grundlage der folgenden Gleichung 3 zum Berechnen einer Rotorpositionsabweichung e: e = ihαsin2θ ~ – ihβcos2Θ ~ ihα = –Bcos(2Θ), ihβ = –Bsin(2Θ) [Gleichung 3]
    • – einen PI-Regler zum Abschätzen der Rotordrehzahl ω ~ proportional und integral in Bezug auf die Rotorpositionsabweichung e; und
    • – eine Integriereinrichtung zum Integrieren der abgeschätzten Rotordrehzahl ω ~ zum Abschätzen der Rotorposition θ ~.
  • Nun erfolgt eine detaillierte Beschreibung zu einem Prozess zum Abschätzen der Position und der Drehzahl des Rotors beim sensorfreien Steuerungssystem mit dem oben beschriebenen Aufbau, wozu auf die 5 Bezug genommen wird.
  • Als Erstes erzeugt die Spannungsanlegeeinrichtung 120 die anzulegenden Spannungen vα-inj, vβ-inj* für das stationäre Koordinatensystem, und sie gibt sie als Erregungssignal zum Abschätzen der anfänglichen Rotorposition aus (Schritt 200). Dabei werden diese anzulegenden Spannungen an den Addierer 134 geliefert, um zu den vom zweiten Koordinatenwandler 132 ausgegebenen SKS-Steuerspannungen vα-con*, vβ-con* addiert zu werden. Die sich ergebenden Spannungen werden an die Motortreibereinheit 140 gelegt, damit dreiphasige Motortreiberspannungen, die durch Raumvektormodulation gewandelt wurden, an den Reluktanz-Synchronmotor geliefert werden.
  • Wenn sich der Motor aufgrund dieser dreiphasigen Motortreiberspannung dreht, wandelt der Dreiphasenkoordinaten/Stationärkoordinatenwandler 150 die bei der Drehung des Motors erfassten dreiphasigen Ströme iU, iV in die zweiphasigen SKS-Ströme iα, iβ. Diese werden an das als Stromentnahmeeinrichtung 160 wirkende Bandpassfilter und ein Kerbfilter im ersten Koordinatenwandler 170 geliefert. Dabei enthalten die zweiphasigen SKS-Ströme iα, iβ die Antwortströme iα-inj, iβ-inj auf die angelegten Spannungen vα-inj*, vβ-inj* hin sowie die Antwortströme iα-con, iβ-con auf die Steuerspannungen hin.
  • Da die die angelegten Spannungen betreffenden Stromkomponenten durch das Kerbfilter entfernt werden, werden nur die Stromantworten iα-con, iβ-con in Bezug auf die SKS-Steuerspannungen vα-con*, vβ-con* an einen Stationärkoordinaten/Rotationskoordinaten-Wandler im ersten Koordinatenwandler 170 gelegt und in einen Istdrehmomentstrom iq-con und einen Istflussstrom id-con gewandelt. Wie oben beschrieben, sind der Drehmomentstrom und der Flussstrom Werte, die dazu verwendet werden, in einer Rückkopplungsschleife eine Drehmomentspannung bzw. eine Flussspannung zu erzeugen.
  • Indessen laufen, von den zugeführten, zweiphasigen SKS-Strömen iα, iβ nur die Antwortstromkomponenten iα-inj, iβ-inj in Bezug auf die angelegten Spannungen vα-inj*, vβ-inj* durch das die Stromentnahmeeinrichtung 160 bildende Bandpassfilter, da das Bandpassfilter so eingestellt ist, dass nur die genannten Antwortstromkomponenten durch es laufen können. D.h., dass durch das Bandpassfilter diese genannten Antwortstromkomponenten entnommen werden können (Schritt 210). Diese Antwortstromkomponenten sind durch die folgende Gleichung 4 gegeben: iα-inj = Acos(2πfht) – Bcos(2Θ-2πfht) iβ-inj = Asin(2πfht) – Bsin(2Θ-2πfht) [Gleichung 4]
  • In der Gleichung 4 sind A und B mit Motorkonstanten zusammenhängende Konstanten, fh bezeichnet die Frequenz der angelegten Spannung, und t bezeichnet ein Zeitintervall. In dieser Gleichung sind Therme, die nicht mit der Rotorposition Θ in Zusammenhang stehen, zum Bestimmen der Position und der Drehzahl des Rotors überflüssig. Demgemäß müssen diese Therme beseitigt werden, und es müssen nur diejenigen Stromkomponenten entnommen werden, die mit der Rotorposition in Zusammenhang stehen. Nun erfolgt eine Beschreibung zu einem Prozess (Schritt 220) zum Entnehmen nur der Stromkomponenten in Zusammenhang mit der Rotorposition aus den durch das Bandpassfilter 160 entnommenen Antwortstromkomponenten, wozu auf die 4 Bezug genommen wird.
  • Wenn die Antwortstromkomponenten iα-inj, iβ-inj in Bezug auf die angelegten Spannungen unter Verwendung des Rotationswinkels Θh in Bezug auf die angelegten Spannungen in die RKS-Antwortstromkomponenten ihd, ihq gewandelt werden, werden Therme, die nicht in Zusammenhang mit der Rotorposition stehen, in eine Konstante (einen Gleichstrom) gewandelt, wie es in der folgenden Gleichung 5 angegeben ist: ihd = A*1–Bcos(2Θ-2πfht), ihq = A*0–Bsin(2Θ-2πfht) [Gleichung 5]
  • Demgemäß werden, wenn die durch die Gleichung 5 angegebenen RKS-Antwortstromkomponenten ihd, ihq einem Hochpassfilterungsprozess unterzogen werden, Gleichstromkomponenten, die nicht mit der Rotorposition in Zusammenhang stehen, entfernt, und es können alleine die Antwortstromkomponenten ihd-hp, ihq-hp, die mit der Rotorposition in Zusammenhang stehen, entnommen werden, wie es durch die folgende Gleichung 6 angegeben ist: ihd-hp = –Bcos(2Θ-2πfht), ihq-hp = –Bsin(2Θ-2πfht) [Gleichung 6]
  • Um Therme zu belassen, die unter den Antwortstromkomponenten ihd-hp, ihq-hp in Zusammenhang mit der Rotorposition als trigonometrische Funktion ausgedrückt sind, werden diese Antwortstromkomponenten in Zusammenhang mit der Rotorposition durch den vierten Koordinatenwandler 187 unter Verwendung des Rotationswinkels 2Θh, der in einem Verstärker 189 eine Verstärkung (×2) erfährt, in die in der folgenden Gleichung 7 angegebenen SKS-Antwortstromkomponenten ihα, ihβ gewandelt, die mit der Rotorposition in Zusammenhang stehen: ihα = –Bcos(2Θ), ihβ = –Bsin(2Θ) [Gleichung 7]
  • Indessen berechnet, nachdem diese mit der Rotorposition in Zusammenhang stehenden SKS-Antwortstromkomponenten durch den obigen Prozess erhalten wurden, die Position/Drehzahl-Abschätzeinrichtung 180 eine Rotorpositionsabweichung aus denselben, und sie führt eine Abschätzung und Ausgabe der Drehzahl ω ~ und der Position Θ ~ des Rotors aus dieser berechneten Rotorpositionsabweichung e aus (Schritt 230).
  • D.h., dass die Positionsabweichungs-Berechnungseinrichtung 182 in der Position/Drehzahl-Abschätzeinrichtung 180 die Rotorpositionsabweichung e unter Berechnung der obigen SKS-Antwortstromkomponenten ihα, ihβ und der rückgekoppelten, abgeschätzten Rotorposition Θ ~ auf Grundlage der folgenden Gleichung 8 berechnet und ausgibt: e = ihαsin2Θ ~ – ihβcos2Θ ~ = Bsin(Θ-Θ ~) = B*(Θ-Θ ~) [Gleichung 8]
  • Aus dieser Gleichung 8 ist es erkennbar, dass aus den Antwortstromkomponenten iα-inj, iβ-inj in Bezug auf die angelegten Spannungen Information proportional zur Rotorpositionsabweichung erzielbar ist.
  • D.h., dass dann, wenn von der Positionsabweichungs-Berechnungseinrichtung 182 eine Abweichung zwischen der abgeschätzten und der tatsächlichen Position des Rotors erhalten wird, die Rotordrehzahl ω ~ unter Verwendung eines PI-Reglers 184 abgeschätzt werden kann und die dieser entsprechende Rotorposition Θ ~ durch eine Integriereinrichtung 186 abgeschätzt werden kann.
  • Die abgeschätzte Rotordrehzahl ω ~ wird, wie bei einem typischen sensorfreien Steuerungssystem, zum Steuern der Motordrehzahl rückgekoppelt. Die abgeschätzte Rotorposition Θ ~ wird zur Phasenwandlung der Spannung und des Stroms, wie zur Vektorsteuerung erforderlich, und zur Berechnung einer Positionsabweichung in der folgenden Abtastperiode verwendet.
  • Gemäß den oben genannten Ausführungsformen der Erfindung ist es möglich, Information proportional zur Positionsabweichung des Rotors aus den Anwortströmen iα-inj, iβ-inj in Bezug auf angelegte Spannungen beim Starten eines Reluktanz-Synchronmotors zu erhalten. Demgemäß können die Position und die Drehzahl des Rotors abgeschätzt werden, ohne dass Motorkonstanten wie ein Statorwiderstand und ein Magnetmodell zu verwenden wären.
  • Wie es aus der obigen Beschreibung ersichtlich ist, kann durch die Erfindung, bei einem sensorfreien Steuerungssystem für einen Reluktanz-Synchronmotor, die Rotorpositionsabweichung e aus der Stromantwort in Bezug auf eine angelegte Spannung berechnet werden, ohne dass Motorkonstanten zu ver wenden wären, und es können die Position und die Drehzahl des Rotors abgeschätzt werden. Daher kann auch derselbe Abschätzalgorithmus für die Position und die Drehzahl unabhängig von jeder Änderung der Motorspezifikation verwendet werden.
  • Da, wie eben angegeben, die Erfindung unabhängig von Spezifikationsänderungen eines Reluktanz-Synchronmotors arbeitet, sind keine Zusatzversuche oder Simulationen auszuführen, um bei einer Spezifikationsänderung neue Motorkonstanten zu erhalten.

Claims (13)

  1. Vorrichtung zum Steuern des Starts eines Elektromotors entsprechend einem sensorfreien Steuerungssystem, bei dem Schätzwerte für die Position und die Drehzahl eines Rotors zum Steuern des Motors verwendet werden, mit: – einer Spannungsanlegeeinrichtung (120) zum Erzeugen anzulegender Spannungen zum Abschätzen einer Anfangsposition des Rotors; – einem Motortreiber-Spannungsgenerator (130), der SKS-Spannungen (Spannungen in einem stationären Koordinatensystem), die die angelegten Spannungen enthalten, in dreiphasige Motortreiberspannungen wandelt und diese an den Motor legt; – einer Stromentnahmeeinrichtung (160), die Antwortstromkomponenten iα-inj, iβ-inj auf die angelegten Spannungen aus zweiphasigen SKS-Strömen entnimmt, die aus bei der Drehung des Motors erfassten dreiphasigen Strömen gewandelt wurde; und – einer Position/Drehzahl-Abschätzeinrichtung (180) zum Entnehmen von Antwortstromkomponenten in Zusammenhang mit der Rotorposition aus den genannten Antwortstromkomponenten iα-inj, iβ-inj in Bezug auf die angelegten Spannungen, um eine Rotorpositionsabweichung e zu berechnen, und zum Absetzen der Drehzahl ω ~ und der Position Θ des Rotors aus dieser berechneten Rotorpositionsabweichung.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Koordinatenwandler (170) vorhanden ist, der als Erstes die Stromkomponenten in Bezug auf die angelegten Spannungen aus den zweiphasigen SKS-Strömen beseitigt und sie dann in RKS-Ströme (Ströme in einem rotierenden Koordinatensystem) wandelt, wobei dieser erste Koordinatenwandler über ein Kerbfilter verfügt.
  3. Vorrichtung zum Steuern des Starts eines Elektromotors entsprechend einem sensorfreien Steuerungssystem, bei dem Schätzwerte für die Position und die Drehzahl eines Rotors zum Steuern des Motors verwendet werden, mit: – einem Motortreiber-Spannungsgenerator (130) zum Erzeugen einer Spannung zum Ansteuern des Motors; – einer Spannungsanlegeeinrichtung (120) zum Erzeugen anzulegender Spannungen zum Abschätzen einer Anfangsposition des Rotors; – einer Stromentnahmeeinrichtung (160) zum Entnehmen von Ansprechstromkomponenten in Bezug auf die angelegten Spannungen; – einer Position/Drehzahl-Abschätzeinrichtung (180) zum Abschätzen der Position und der Drehzahl des Rotors auf Grundlage der von der Stromentnahmeeinrichtung ausgegebenen Antwortstromkomponenten; und – einem Koordinatenwandler zum Wandeln dreiphasiger Ströme, wie sie bei der Drehung des Rotors erfasst werden, in RKS-Ströme unter Verwendung der abgeschätzten Rotorposition.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Motortreiber-Spannungsgenerator (130) Folgendes aufweist: – einen Solldrehmomentstrom-Generator zum Erzeugen eines Spannungsgeneratorstroms zum Kompensieren eines Fehlers, zu dem es durch die Differenz zwischen einer Solldrehzahl und einer abgeschätzten Rotordrehzahl kommt; – einen RKS-Spannungsgenerator zum Erzeugen einer Solldrehmomentspannung zum Kompensieren eines Fehlers, zu dem es durch die Differenz zwischen dem Solldrehmomentstrom und einem Istdrehmomentstrom kommt, sowie einer Sollflussspannung zum Kompensieren eines Fehlers, zu dem es durch die Differenz zwischen einem Sollflussstrom und einem Istflussstrom kommt; und – einen Motortreiber-Spannungsgenerator, der die vom RKS- Spannungsgenerator eingegebene Sollflussspannung und eine von der Spannungsanlegeeinrichtung eingegebene anzulegende Spannung in dreiphasige Motortreiberspannungen wandelt.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsanlegeeinrichtung (140) die SKS-Spannungen in den Motortreiber-Spannungsgenerator (130) eingibt und einen Rotationswinkel in Bezug auf diese an die Position/Drehzahl-Abschätzeinrichtung (180) ausgibt.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Koordinatenwandler Folgendes aufweist: – einen Dreiphasenkoordinaten/Stationärkoordinaten-Wandler, der bei der Drehung des Rotors erfasste dreiphasige Ströme in zweiphasige SKS-Ströme wandelt; und – einen ersten Koordinatenwandler (170), der die vom vorstehend genannten Wandler eingegebenen zweiphasigen SKS-Ströme unter Verwendung der von der Position/Drehzahl-Abschätzeinrichtung (180) eingegebenen abgeschätzten Rotorposition in RKS-Ströme wandelt.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Koordinatenwandler (170) über ein Kerbfilter zum Beseitigen der Stromkomponenten in Bezug auf die angelegten Spannungen aus den vom Dreiphasenkoordinaten/Stationärkoordinaten-Wandler eingegebenen zweiphasigen SKS-Ströme verfügt.
  8. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Motortreiber-Spannungsgenerator (130) Folgendes aufweist: – einen zweiten Koordinatenwandler (132) zum Wandeln einer Solldrehmomentspannung vq-con* und einer Sollflussspannung vd-con*, die beide RKS-Spannungen sind, in SKS-Spannungen vα-con, vβ-con – mehrere Addierer (134), von denen jeder die angelegten Spannungen vα-inj*, vβ-con* zu den genannten SKS-Spannungen vα-con*, vβ-con* addiert; und – eine Motortreibereinheit (140) zum Wandeln der die anzulegenden Spannungen enthaltenden SKS-Spannungen vα*, vβ* in die dreiphasigen Motortreiberspannungen.
  9. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromentnahmeeinrichtung (160) ein Bandpassfilter ist, das die Stromkomponenten iα-inj, iβ-inj in Bezug auf die angelegten Spannungen entnimmt.
  10. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Position/Drehzahl-Abschätzeinrichtung (180) Folgendes aufweist: – einen dritten Koordinatenwandler (181) zum Wandeln der Antwortstromkomponenten iα-inj, iβ-inj in Bezug auf die angelegten Spannungen in RKS-Antwortstromkomponenten ihd, ihq unter Verwendung des Rotationswinkels Θh des Rotors in Bezug auf die angelegten Spannungen; – mindestens ein Hochpassfilter (183, 185) zum Entnehmen von Antwortstromkomponenten ihd-hp, ihq-hp in Bezug auf die Rotorposition aus den RKS-Antwortstromkomponenten ihd, ihq; – einen vierten Koordinatenwandler (187) zum Wandeln der Antwortstromkomponenten ihd-hp, ihq-hp in Zusammenhang mit der Rotorposition in SKS-Antwortstromkomponenten ihα, ihβ unter Verwendung des verstärkten Rotationswinkels Θh; – eine Positionsabweichungs-Berechnungseinrichtung (182) zum Berechnen der RKS-Antwortstromkomponenten ihα, ihβ und der abgeschätzten Rotorposition Θ ~ auf Grundlage der folgenden Gleichung zum Berechnen einer Rotorpositionsabweichung e: e = ihαsin2Θ ~ – ihβcos2Θ ~ ihα = –Bcos(2Θ) ihβ = –Bsin(2Θ) – einen PI-Regler (184) zum Abschätzen der Rotordrehzahl ω proportional und integral in Bezug auf die Rotorpositionsabweichung e; und – eine Integriereinrichtung zum Integrieren der abgeschätzten Rotordrehzahl ω zum Abschätzen der Rotorposition Θ.
  11. Verfahren zum Steuern des Starts eines Motors entsprechend einem sensorfreien Steuerungssystem, bei dem Schätzwerte für die Position und die Drehzahl eines Rotors zum Steuern des Motors verwendet werden, mit den folgenden Schritten: a) Anlegen von Spannungen zum Abschätzen der anfänglichen Rotorposition; und b) Anlegen dreiphasiger Motortreiberspannungen, die die anzulegenden Spannungen enthalten, an den Motor, um ihn zu betreiben; c) Entnehmen von Antwortstromkomponenten iα-inj, iβ-inj in Bezug auf die angelegten Spannungen aus zweiphasigen SKS-Strömen, die aus dreiphasigen Strömen gewandelt wurden, wie sie bei der Drehung des Rotors erfasst wurden; d) Berechnen einer Rotorpositionsabweichung e durch Berechnen von Antwortstromkomponenten in Zusammenhang mit der Rotorposition, wie sie aus den entnommenen Antwortstromkomponenten iα-inj, iβ-inj entnommen wurden, sowie einer rückgekoppelten abgeschätzten Position Θ ~; und e) Abschätzen der Drehzahl ω ~ und der Position Θ ~ des Rotors aus der berechneten Rotorpositionsabweichung e, und Ausgeben dieser Werte.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die anzulegenden Spannungen SKS-Spannungen sind, die durch eine α-Achse-Spannung und eine β-Achse-Spannung ausgedrückt werden können.
  13. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt d) die folgenden Schritte aufweist: – Wandeln der Antwortstromkomponenten iα-inj, iβ-inj in Bezug auf die angelegten Spannungen in RKS-Antwortstromkomponenten ihd, ihq unter Verwendung des Rotationswinkels Θh des Rotors in Bezug auf die angelegten Spannungen; – Entnehmen von Antwortstromkomponenten ihd-hp, ihq-hp in Bezug auf die Rotorposition aus den RKS-Antwortstromkomponenten ihd, ihq; – Wandeln der Antwortstromkomponenten ihd-hp, ihq-hp in Zusammenhang mit der Rotorposition in SKS-Antwortstromkomponenten ihα, ihβ unter Verwendung des verstärkten Rotationswinkels Θh; und – Berechnen der RKS-Antwortstromkomponenten ihα, ihβ und der abgeschätzten Rotorposition Θ ~ auf Grundlage der folgenden Gleichung zum Berechnen einer Rotorpositionsabweichung e: e = ihαsin2Θ ~ – ihβcos2Θ ~ ihα = –Bcos(2Θ) ihβ = –Bsin(2Θ).
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