DE102005059477A1 - Verfahren zur Bestimmung der Startkommutierung für einen Synchromotor - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Startkommutierung bei Synchron- und Reluktanz-Servo-Motoren oder Linear-Synchron-Motoren bei mechanisch blockiertem Läufer unter Einsatz der Clarke-Park-Transformation und deren Inversen, unter Verzicht auf einen Absolutsensor, das besonders bei "hängenden Achsen" vorteilhaft einsetzbar ist. Es basiert auf der Bestimmung des Drehmomentenmaximums bei festgebremstem Läufer, indem bei Erreichen des Nennstroms (13) des Motors (12) mittels eines Winkelfunktionsgebers (2) ein zeitabhängiges elektrisches Winkelsignal (15) das rotierende Feld durchlaufen wird, wodurch auf den Läufer des Motors ein Torsionsmoment mit alternierendem Minimum-Maximum-Verlauf ausgeübt wird, aus dem mittels eines Inkrementalgebers (24) und eines Detektionsmoduls (4) das Torsionsmaximum mit dem dazugehörigen Winkel (16) ermittelt wird, der dem Startkommutierungswinkel (25) entspricht.

Description

  • Verfahren zur Bestimmung der Startkommutierung für einen Synchron- und Reluktanz-Servo-Motor sowie für einen Linear-Synchron-Motor bei mechanisch blockiertem Läufer unter Einsatz der Clarke-Park-Transformation und deren Inversen unter Verzicht auf einen Absolutsensor, welches besonders bei „hängenden Achsen" vorteilhaft einsetzbar ist.
  • Gleichstrom-Maschinen besitzen einen Kollektor und zwei oder mehrere Bürsten die als Stromwender [Kommutator] dienen. Dieser Kommutator sorgt in der Gleichstrom-Maschine dafür, dass der Strom stets so durch die Wicklungen im Anker fließt, dass sich die aus dem Strom entstehenden Magnetfelder anziehen, damit ein Drehmoment erzeugen und so die Motorwelle in Drehung versetzen. Bei Synchron-Servo-Antrieben, die heute die Gleichstrommaschinen wegen einiger entscheidender Vorteile [ca. 50% kleineres Bauvolumen bei gleicher Leistung, wartungsfrei hinsichtlich der Bürsten u. a. m.] weitestgehend verdrängt haben, fehlt dieser Kommutator. Dieser Kommutator muss in dem Servo-Verstärker, einer komplexen Elektronik, in dem auch die Stromregelung, die Drehzahlregelung und Positionsreglung des Synchron-Servo-Antriebes – heute nahezu stets mit Hilfe der Clarke-Park-Transformation realisiert – nachgebildet werden. Zur Nachbildung des Kommutators benötigt die Elektronik des Servo-Verstärkers beim Einschalten zunächst die Rotorposition relativ zum Stator, im Folgenden Startkommutierung genannt. Diese Information kann ein Messsystem mit entsprechenden Kosten liefern, oder es wird das Verfahren nach Patent DE 196 04 701 C1 eingesetzt, das zusätzliche Hardware benötigt, oder es werden die Verfahren entsprechend den Patenten EP 0 785 378 A2 oder DE 103 305 51 B4 genutzt.
  • Gemeinsamer Nachteil am Stand der Technik ist, dass bei Motoren, die durch eine Haltebremse ohne Spiel mechanisch blockiert sind, die bekannten Verfahren für viele Anwendungen nicht die notwendige Genauigkeit liefern und damit nicht funktionstüchtig sind, da eine minimale Bewegungsfreiheit vorhanden sein muss. Die Realisierung der bekannten Verfahren erfolgt in Form eines Regelkreises, der eine gemessene Größe zu null regelt ( EP 0 785 378 A2 , DE 196 04 701 C1 , DE 103 30 551 B4 ). Der Grund für die Ungenauigkeit bei der Regelung einer Größe auf null liegt in dem notwendigen PI-Regler, der mit seinem P-Anteil die Achse aus der Haftreibung löst. Dieser P-Anteil raut zwangsläufig das Messsignal aus dem inkrementalen Messsystem auf und ergibt somit eine Messunsicherheit. Wird der P-Anteil verkleinert, erzeugt der I-Anteil in Verbindung mit der Haftreibung Schwingungen, die wiederum eine Messunsicherheit erzeugen. Weiterhin ist der im Patent DE 103 30 551 B4 notwendige Regelkreis hier nicht erforderlich. Die im gleichen Patent erwähnte Nichtsteuerbarkeit tritt bei diesem Verfahren vorteilhaft nicht auf.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, ein einfaches Verfahren zu schaffen, das es ermöglicht, bei minimaler dynamischer wie statischer Bewegungsfreiheit, unter Ausnutzung der ohnehin in jedem vektorkontrollierten elektrischen Antrieb befindlichen Hard- und Software, die Startkommutierung auch bei Motoren und Achsen mit aktiver Haltebremse bzw. bei „hängenden Achsen" mit aktivierter Haltebremse zu ermitteln und nach Herstellung der Startkommutierung den elektrischen Antrieb mittels der elektromotorischen Kraft in der Stellung zu halten, in der sich der elektrische Antrieb vor dem Start zur Findung der Startkommutierung befand.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Die Unteransprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung an.
  • Die Erfindung wird im Folgenden anhand einer Zeichnung erläutert. Dabei zeigt:
  • 1 die Struktur des Signalflusses als realisiertes Blockschaltbild.
  • Mit den Blöcken 5, 6, 7, 8, 10, 11, 20 ist die bekannte Stromregelung über die Clarke-Park-Transformation für den mechanisch blockierten Synchronmotor 12 dargestellt, mit dem Unterschied, dass Signal 17 nicht in die Clarke-Park-Transformation bzw. deren inversen geleitet wird. Dieses Signal entspricht dem Startkommutierungswinkel, der momentan noch nicht bekannt ist.
  • Nach dem Einschalten steigert nun Block 1 den Sollstrom 13 in ca. 2 Sekunden bis auf den Nennstrom des Motors 12 und belässt ihn auf diesem Wert. Danach wird mittels eines Winkelfunktionsgebers 2 nach der Gleichung (1) α = –[α cos(b·t) – α] (1)der elektrische Winkel, der dem Signal 15 entspricht, z. B. 5-mal durchfahren, was einige Sekunden in Anspruch nimmt. Die Gleichung (1) gibt einen von der Zeit abhängigen Winkel verlauf an, der bei null mit der Steigung null beginnt und auch in diesem Punkt mit der Steigung null wieder endet. Da der Winkelverlauf dem Stromverlauf und damit dem Drehmomentenverlauf in dem Motor entspricht, ist auf diese Weise sichergestellt, dass die „Ruckkurve" (die erste Ableitung des Momentenverlaufes) stetig ist und deswegen alle weiteren Ableitungen ebenfalls stetig sind – also keine Sprünge aufweist – so die Mechanik auch nicht zu Schwingungen auf Grund von Oberschwingungen angeregt werden kann, die die Messergebnisse verfälschen können. Während über die Veränderung des elektrischen Winkels 15 und durch den geregelten Strom das magnetische Feld im Stator des Motors 12 rotiert und damit ein Drehmoment auf die Welle einwirkt, das zwischen einem positiven und einem negativen Wert entsprechend dem Aufbau des Motors 12 schwankt, wird im Modul 4 auf das Maximum geachtet, das auf Grund der Torsion der Welle über den inkrementalen Geber 24, über den Signalpfad 22, einer Interpolationseinheit 26 und den QEP-Zähler 8 als elektrisches Signal 17 in das Modul 4 gegeben wird. Ist ein Maximum im Signal 16 erkannt, wird das dazugehörige Winkelsignal 15, im Modul 3 abgespeichert. Ist beim nächsten Durchlauf das Signalmaximum 16, höher als das bisher detektierte, wird der bisher gefundene Signalwert 15, durch den neuen Signalwert 15, ersetzt.
  • Nach ca. 2 Sekunden sind also ein oder mehrere maximale Torsionswerte auf das höchste Maximum untersucht worden. Die Anzahl der untersuchten Torsionsmaxima bestimmt die Genauigkeit der Maximumbestimmung. Der zum höchsten Maximum gehörende Winkel ist der gesuchte Startkommutierungswinkel.
  • Dieses Verfahren ist ebenfalls bei Linearantrieben geeignet, wobei die Verwindung des mechanischen Aufbaues ausreicht, um ein entsprechendes Maximum detektieren zu können. Auf ein Minimum muss nicht gesondert geachtet werden – es ist nicht relevant – da in jedem Falle das Minimum auch als Maximum definiert werden kann.
  • Das Problem der Stellung von Läufer zu Statorfeld ( DE 196 04 701 C1 und DE 103 30 551 B4 ), in der kein Moment erzeugt wird, ist bei diesem Verfahren nicht relevant, da das Statorfeld bei dem hier beschriebenen Verfahren rotiert. Die Erfindung arbeitet, bis auf die Messung der Ströme in zwei Leitungen, über einen Analog-Digital-Wandler, der Bestandteil des Digital-Signal-Controllers ist, ausschließlich digital, dadurch mit hoher Störfestigkeit und benötigt keine zusätzlichen Hardwarekomponenten.
  • 1
    Funktionsgenerator Strom
    2
    Winkelfunktionsgenerator
    3
    Maximumspeicher
    4
    Maximumerkennung
    5
    PI-Regler [Q-Part der Clarke-Park-Transformation]
    6
    PI-Regler [D-Part der Clarke-Park-Transformation]
    7
    Inverse Clarke-Park-Transformation
    8
    QEP-Zähler
    9
    Clarke-Park-Transformation
    10
    Analog-Digital-Wandler
    11
    Leistungshalbleiter-Schalter
    12
    Synchronmotor mit aktivierter Haltebremse
    13
    Sollstromsignal iQ-Part
    14
    Iststromsignal iQ-Part
    15
    Winkelsignal
    16
    Maximumsignal
    17
    Signalsummenwert
    18
    uQ-Part Clarke-Park-Transformation
    19
    uD-Part Clarke-Park-Transformation
    20
    Pulsweitenmodulator
    21
    Strommesssignale
    22
    Inkrementalsignale
    23
    D/S-Controller
    24
    Inkrementalgeber
    25
    Startkommutierungswinkel
    26
    Interpolator

Claims (6)

  1. Verfahren zur Bestimmung der Startkommutierung für einen Synchron- und Reluktanz-Servo-Motor oder einen Linear-Synchron-Motor bei mechanisch blockiertem Läufer unter Einsatz der Clarke-Park-Transformation und deren Inversen unter Verzicht auf einen Absolutsensor, gekennzeichnet durch Generieren eines Sollstromverlaufs (13), der bis zum Erreichen des Nennstroms (iq) des Motors (12) ansteigt und dann auf dem Nennstrom (iq) des Motors (12) belassen wird, Erzeugen eines Winkelsignals (15) mit zeitabhängigem Verlauf, Erfassen der Torsion des blockierten Läufers durch einen Geber (24), Ermitteln des sich über mehrere Zyklen aus dem zeitabhängigen Winkelsignal (15) und dem geregelten Stromverlaufs (13) ergebenden Maximums der Torsion des Läufers in einem Detektionsmodul (4), Bestimmen des dem Maximum entsprechenden Winkels und Wählen dieses Winkels als Startkommutierungswinkel.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass der Sollstromverlauf (13) entsprechend einem in einem Modul (1) vorgegeben Signalverlauf generiert wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass der Winkelfunktionsgeber (2) ein zeitabhängiges Winkelsignal (15) erzeugt, das der Gleichung α = –[α cos(b·t) – α]genügt.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, gekennzeichnet dadurch, dass jeder Winkelsignaldurchlauf (15) bei null mit der Steigung null beginnt und wieder bei null endet.
  5. Verfahren nach Anspruch 4 und 5, gekennzeichnet dadurch, dass das Signalmaximum aus mehreren Durchläufen des Winkelsignals (15) ermittelt wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, gekennzeichnet dadurch, dass auch das Signalminimum als Signalmaximum definiert wird.
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