DE102006004034A1

DE102006004034A1 - Verfahren zum geberlosen Betrieb einer stromrichtergespeisten, permanenterregten Synchronmaschine mit einem Testsignal

Info

Publication number: DE102006004034A1
Application number: DE102006004034A
Authority: DE
Inventors: Thorsten Frenzke
Original assignee: Friedrich Alexander Univeritaet Erlangen Nuernberg FAU; Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2006-01-27
Filing date: 2006-01-27
Publication date: 2007-08-09
Also published as: WO2007085331A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum feldorientierten Betrieb einer stromrichtergespeisten, geberlosen, permanenterregten Synchronmaschine (2), wobei mittels eines einem Sollstrom-Raumzeiger (i<SUB>dRef,</SUB> i<SUB>qRef</SUB>) überlagerten Testsignals ein geschätzter Polradlagewinkel $I1 und eine geschätzte Läuferkreisfrequenz $I2 fortlaufend korrigiert werden. Erfindungsgemäß ist als Testsignal ein zeitdiskretes Pseudorausch-Signal mit einer relativ langen Grundperiodendauer vorgesehen. Somit erhält man ein Verfahren zum geberlosen Betrieb einer stromrichtergespeisten, permanenterregten Synchronmaschine (2), das erheblich weniger tonale Motorgeräusche verursacht.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum geberlosen, feldorientierten Betrieb einer stromrichtergespeisten, permanenterregten Synchronmaschine, wobei mittels eines einen Sollstrom-Raumzeiger überlagerten Testsignals ein geschätzter Rotorlager-Istwert und ein geschätzter Drehzahl-Istwert fortlaufend korrigiert werden.
Zur dynamischen Regelung von Drehfeldmaschinen, insbesondere permanenterregten Synchronmaschinen, wird üblicherweise das Verfahren der feldorientierten Regelung eingesetzt. Dabei wird ein Raumzeiger gemessener Maschinenströme in zwei Komponenten zerlegt, die sich durch Projektion in Richtung des von den Permanentmagneten erzeugten Fluss-Raumzeigers (Längsachse) bzw. senkrecht dazu (Querachse) ergeben. Durch Regelung der beiden Stromkomponenten in diesem relativ zur Rotorlage festen Koordinatensystem kann das gewünschte Drehmoment und der Ständerfluss der Maschine eingestellt werden.
Für die Feldorientierung bei permanenterregten Synchronmaschinen muss die elektrische Lage des von den Magneten erzeugten Flusses bekannt sein, die zwar fest mit der mechanischen Läuferlage verbunden ist, sich bei Drehung der Maschine aber auch verändert. Oft wird zur Vorsteuerung einer Stromregelung oder für eine überlagerte Drehzahlregelung außerdem noch die Drehzahl benötigt. Zur Bestimmung einer Polradlage und einer Drehzahl werden in der Regel spezielle Rotorlagemesssysteme eingesetzt. Diese Messsysteme sind aber meist sehr teuer, erfordern eine genaue und damit aufwändige Justage, erhöhen das Gewicht und beanspruchen einen Einbauraum in der Maschine. Die zusätzlich erforderlichen Signalleitungen erhöhen die Wahrscheinlichkeit eines fehlerhaften Anschlusses mit Fehlfunktionen oder Folgeschäden. Bei Einsatz unter schwierigen Umgebungsbedingungen wie mechanischen Erschütterungen und hohen Temperaturen kann die Zuverlässigkeit des Antriebs durch die Empfindlichkeit des Messsystems stark beeinträchtigt werden.
Es sind verschiedene Verfahren zum Betrieb von permanenterregten Synchronmaschinen ohne Rotorlagegeber bekannt, die die erwähnten Nachteile vermeiden, indem sie die mechanischen Lagegeber überflüssig machen. Die Rotorlage wird dabei meist mit Hilfe eines Maschinenmodells aus den gemessenen Maschinenströmen bestimmt. Auf eine Messung der Maschinenspannung wird fast immer verzichtet, da diese zu ungenau ist und zusätzlichen Aufwand verursacht. Stattdessen werden die Motorspannungen aus bekannten Größen berechnet. Sehr oft werden auch die Sollspannungen der Regelung verwendet.
Die einfachsten Verfahren für einen geberlosen Betrieb verwenden nur ein Grundwellenmodell der Maschine, um die vom Läufer im Ständer induzierten Spannungen und damit den Rotorfluss zu rekonstruieren und daraus auf die Rotorlage und die Rotordrehzahl zurück zu schließen. Aufwändigere Verfahren kombinieren solch ein Grundwellenmodell mit Beobachterstrukturen oder stochastischen optimalen Filtern, um die Ergebnisse für die berechnete Lage und Drehzahl zu verbessern.
All diesen Verfahren ist prinzipiell gemeinsam, dass sie erst ab einer ausreichend hohen Drehzahl bzw. Ständerfrequenz zuverlässig arbeiten, da die drehzahlproportionale elektromotorische Kraft (EMK) nur dann genügend hoch über den unvermeidlichen Störeinflüssen liegt. Im unteren Drehzahlbereich ist deshalb meist nur ein gesteuertes Anfahren des Antriebs möglich. Dies ist für viele Anwendungen aber nicht akzeptabel.

Es sind auch Verfahren zum geberlosen Betrieb einer stromrichtergespeisten, permanenterregten Synchronmaschine bekannt, die die Rotorlage auch im Bereich sehr niedriger Drehzahlen und bei Stillstand zuverlässig ermitteln. Beispielsweise ist aus der Veröffentlichung mit dem Titel "Rotor Posi tion and Velocity Estimation for a Salient-Pole Permanent Magnet Synchronous Machine at Standstill and High Speeds" veröffentlicht in der Zeitschrift "IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRY APPLICATIONS", Vol. 34, No. 4, July/August 1998, Seiten 784 bis 789, ein Verfahren bekannt, das mit Berücksichtigung der drehzahlbedingten Querkopplung und mit einer Beobachterstruktur für die Frequenzregelung ausgestattet ist. Außerdem wird eine synchrone Gleichrichtung zur Bestimmung der Querkomponente des Stromes eingesetzt. Bei dieser Motorsteuerung wird ebenfalls ein sinusförmiges Testsignal verwendet, das jedoch in der momentenbildenden Achse überlagert wird. Dies verursacht ein mit der Testfrequenz pulsierendes Drehmoment, was zum Pfeifen und zu mechanischen Schwingungen führt. Dafür ergibt sich eine bessere Entkopplung der Lageerkennung vom Stromregelkreis.

Auch aus den Veröffentlichungen mit dem Titel "Transducerless Position and Velocity Estimation in Induction and Salient AC Machines", abgedruckt in der Zeitschrift "IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRY APPLICATIONS", Vol. 31, No. 2, March/April 1995, Seiten 240 bis 247, und mit dem Titel "Induction Motor Speed Estimator and Synchronous Motor Position Estimator Based on a Fixed Carrier Frequency Signal", abgedruckt in der Zeitschrift "IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL ELECTRONICS, Vol. 43, No. 4, August 1996, Seiten 505 bis 509, sind Verfahren zum geberlosen Betrieb einer stromrichtergespeisten, permanenterregten Synchronmaschine bekannt, bei der die Rotorlage auch im Bereich sehr niedriger Drehzahlen und bei Stillstand zuverlässig ermittelt wird. Bei diesen bekannten Verfahren wird jeweils ein Testsignal mit einer festen Frequenz, die zudem meist einen annähernd sinusförmigen Verlauf haben, eingesetzt. Die Frequenz liegt dabei deutlich unterhalb der Wechselrichter-Schaltfrequenz, meist im Bereich oberhalb von 100Hz bis zu einigen kHz. Die feste Frequenz bietet unter anderem den Vorteil, dass sich aus den an der Maschine gemessenen Größen durch Bandpassfilterung die bezüglich der Lage relevante Information relativ einfach extrahieren lässt und durch die schmalbandige Filterung der Signal-Störabstand verbessert wird.

Nachteilig an diesem Verfahren ist, dass es zu störenden akustischen Begleiterscheinungen kommt. Durch die feste Testsignalfrequenz werden einige wenige Frequenzen im Spektrum der zusätzlichen Motorgeräusche besonders angeregt. Falls dabei zudem noch mechanische Resonanzen am Motor oder in der Umgebung angeregt werden, treten diese Frequenzen besonders hervor. Eine solche starke Tonalität des von der Maschine verursachten Maschinenlärms, z.B. ein Pfeifen bei Testsignalen im kHz-Bereich, wird vom Menschen als besonders lästig empfunden.

Ein weiterer Nachteil dieser bekannten Verfahren ergibt sich bei Anwendungen, die besonders kritisch bezüglich der Netzrückwirkungen sind, wie z.B. in der Bahntraktion. Die Pulswechselrichter-Taktung erzeugt unerwünschterweise Netzrückwirkungen bei verschiedenen Frequenzen, bei den üblichen Taktungsverfahren meist bei Vielfachen der Pulsfrequenz. Diese müssen durch die Antriebsauslegung und geeignete Filtermaßnahmen so weit gedämpft werden, dass im speisenden Gleichstrom- oder Wechselstrom-Netz keine unzulässigen Störstromkomponenten erzeugt werden, die beispielsweise Gleissicherungsanlagen stören könnten.

Bei einer Testsignalaufschaltung mit fester Frequenz können bei bestimmten Arbeitspunkten und Drehzahlen aber Störströme mit unzulässig hoher Amplitude mit kritischen Frequenzbereichen erzeugt werden. Als besonders ungünstig erweist sich hier die ständerfeste Einprägung der Testsignale, da die Frequenz der Hauptkomponenten der erzeugten Störströme von der Drehzahl abhängt.

Durch eine geeignete Wahl der festen Testsignalfrequenz lassen sich unzulässige Netzrückwirkungen zwar theoretisch vermeiden, in der Praxis erweist sich dies allerdings als schwieriger und zeitaufwändiger Prozess, da weitere Randbe dingungen zu berücksichtigen sind und einige Wechselwirkungen und Einflussgrößen oft erst am Antrieb selbst untersucht werden können.

Aus der Veröffentlichung "Position-sensorless control of direct drive permanent magnet synchronous motors for railway traction", abgedruckt in "Proceedings PESC04 Conference", Aachen, Juni 2004, ist ebenfalls ein Verfahren zum geberlosen Betrieb einer stromrichtergespeisten permanenterregten Synchronmaschine bekannt, bei dem ein Testsignal konstanter Frequenz nicht nur einem Sollstrom-Raumzeiger, sondern auch einem Sollspannungs-Raumzeiger überlagert wird. Die in diesem Konferenzbericht gezeigte Regeleinrichtung weist eine iterativ lernende Regelung auf, die dafür sorgt, dass ein abgespeicherter und ein realisierter Teststromverlauf im stationären Fall übereinstimmen, so dass keine unnötigen Stromreserven vorzuhalten sind. Dieser Veröffentlichung ist ebenfalls zu entnehmen, dass das Testsignal zusätzliche Verluste und ein akustisches Geräusch verursacht. Deshalb wird dieses Testsignal abgeschaltet, sobald die Schätzung durch das Spannungsmodell zuverlässig arbeitet.

Aus der DE 102 26 974 A1 ist ein Verfahren zur Bestimmung einer Rotorlage einer feldorientiert betriebenen Drehfeldmaschine, die eine von der Rotorlage abhängige wirksame Induktivität aufweist, bekannt. Bei diesem Verfahren wird durch die Synchronisierung eines Testraumzeigers auf eine Pulsweitenmodulation einer feldorientierten Regelung der Drehfeldmaschine mit einer von der Rotorlage abhängigen wirksamen Induktivität eine hohe nutzbare Bandbreite erreicht. Außerdem wird durch diese Synchronität des Testraumzeigers mit der Pulsweitenmodulation eine saubere Entkopplung des von der feldorientierten Regelung geforderten Spannungs-Raumzeigers und des Testraumzeigers ermöglicht. Bei diesem Verfahren wird die Richtung des Testraumzeigers so der ermittelten Rotorlage nachgeführt, dass dieser in der d-Achse der feldorientiert betriebenen Drehfeldmaschine liegt. Dadurch wird von einem vom Testraumzeiger verursachten Teststromraumzeiger kein Drehmoment erzeugt. Dadurch wird die Geräuschentwicklung der Drehfeldmaschine bei der sensorlosen Rotorlagebestimmung wesentlich reduziert.

Bei den erwähnten Verfahren zum Betrieb von permanenterregten Synchronmaschinen ohne Rotorlagegeber besteht also der Nachteil, dass sie entweder erst ab einer ausreichend hohen Drehzahl zuverlässig arbeiten oder durch Einprägung von Testsignalen mit einer festen Frequenz stark tonale, als lästig empfundene Motorgeräusche verursachen und unzulässige Netzrückwirkungen erzeugen.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum feldorientierten, geberlosen Betrieb einer permanenterregten Synchronmaschine anzugeben, das erheblich weniger tonale Motorgeräusche verursacht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit dem kennzeichnenden Merkmal des Anspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen dieses erfindungsgemäßen Verfahrens sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Durch die Verwendung eines zeitdiskreten Pseudo-Rauschsignals als Testsignal, insbesondere ein Pseudo-Rauschsignal mit einer relativ langen Grundperiodendauer, wird erreicht, dass die Spitzenwerte im Frequenzspektrum des Testsignals deutlich reduziert werden können, indem die Anregung gleichmäßig über ganze Frequenzbereiche verteilt wird. Ein Pseudo-Rauschsignal mit einer relativ langen Grundperiodendauer ist dadurch gekennzeichnet, dass im dazugehörigen Frequenzspektrum viele Spektrallinien mit kleinen Amplituden vorhanden sind. Somit ähnelt dieses Pseudo-Rauschsignal mit relativ langer Grundperiodendauer einem Rauschsignal. Ein Testsignal mit fester Frequenz weist demgegenüber ein Frequenzspektrum mit einer oder wenigen Spektrallinien mit hoher Amplitude auf.

Die vom erfindungsgemäßen Testsignal verursachten Motorgeräusche verlieren so ihren stark tonalen Charakter und werden daher, auch bei gleicher Lautstärke, meist als weniger lästig empfunden. Falls zusätzlich andere Lärmquellen, beispielsweise ein Lüfter, vorhanden sind, kann es sein, dass das erfindungsgemäße Testsignal durch psychoakustische Verdeckungseffekte weniger wahrgenommen oder unhörbar wird.

Das Pseudorausch-Testsignal kann offline generiert und optimiert werden und dann in einem Festwertspeicher einer feldorientierten Regelung der geberlosen, permanenterregten Synchronmaschine hinterlegt und dort im laufenden Betrieb ausgelesen werden.

Bei der Generierung eines Pseudorausch-Testsignals können verschiedene Auswahl- oder Optimierungskriterien einfließen. Diese sind beispielsweise:

– ausreichende hohe Stromänderungen in einem bestimmten, kurzen Zeitraum, um läuferfeste Anisotropien häufig und genau auswerten und daraus die Lage zuverlässig ermitteln zu können
– gewünschte Eigenschaften im Frequenzspektrum der resultierenden Testströme bzw. Testspannungen, beispielsweise möglichst gleichmäßige Verteilung über breite Frequenzbänder oder minimale Anregung bei einzelnen bestimmten Frequenzen/Frequenzbändern
– verschwindender Gleichanteil
– minimaler Spitzenwert des Betrages des Teststromes, wodurch die benötigte Stromreserve minimal wird
– minimaler Spitzenwert des Betrages der Testspannung, wodurch die benötigte Spannungsreserve minimal wird.

Es können aber auch weitere Kriterien wie z.B. die psychoakustische Wirkung des Testsignals, der Realisierungsaufwand, ..., berücksichtigt werden.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der mehrere Ausführungsformen einer feldorientiert betriebenen stromrichtergespeisten, geberlosen, permanenterregten Synchronmaschine schematisch veranschaulicht sind.

1 zeigt in einem Diagramm über der Zeit ein erfindungsgemäßes Testsignal, wobei in der
2 in einem Diagramm über der Zeit ein Zeitverlauf eines bekannten Testsignals mit fester Frequenz dargestellt ist, in der
3 sind in einem Diagramm über der Frequenz jeweils ein Frequenzspektrum der Testsignale gemäß der 1 und 2 dargestellt, die
4 zeigt eine bekannte feldorientierte Regelung einer geberlosen, permanenterregten Synchronmaschine mit einem erfindungsgemäßen Testsignal, die
5 zeigt eine weitere vorteilhafte bekannte feldorientierte Regelung einer geberlosen, permanenterregten Snychronmaschine mit einem erfindungsgemäßen Testsignal, die
6 zeigt eine Vorrichtung zur Generierung eines geschätzten Lage- und Drehzahlistwertes, und die
7 zeigt eine weitere vorteilhafte feldorientierte Regelung einer geberlosen, stromrichtergespeisten, permanenterregten Synchronmaschine mit einem erfindungsgemäßen Testsignal.
In der 1 ist in einem Diagramm über der Zeit t der Zeitverlauf eines erfindungsgemäßen Testsignals normiert dargestellt. In der 2 ist zum Vergleich in einem Diagramm über der Zeit t (Abtastschritte) der Zeitverlauf eines bekannten Testsignals mit einer festen Frequenz normiert dargestellt. Da dieses bekannte Testsignal für eine Anwendung bei einer niedrigen Pulsfrequenz eines eine geberlose permanenterregte Synchronmaschine speisenden Stromrichters konzipiert ist, weist dieses bekannte Testsignal eher einen block- als sinusförmigen Verlauf auf. Die zu diesem Testsignal gehören den Frequenzspektren f_spc und f_spv sind gemeinsam in einem Diagram der 3 über der Frequenz (normiert auf Abtastfrequenz) dargestellt. Da als erfindungsgemäßes Testsignal ein zeitdiskretes Pseudorausch-Signal mit relativ langer Grundperiodendauer vorgesehen ist, weist ein zugehöriges Frequenzspektrum f_spv viele Spektrallinien mit kleinen Amplituden A_spv auf. Das zum bekannten Testsignal mit fester Frequenz zugehörige Frequenzspektrum f_spc weist dagegen nur eine Spektrallinien mit einer sehr hohen Amplitude A_spc auf. Da durch das Pseudorauschsignale als Testsignale die Anregung der geberlosen permanenterregten Synchronmaschine gleichmäßig über ganze Frequenzbereiche verteilt werden, wird erreicht, dass die Amplitudenwerte der Spektrallinien im Frequenzspektrum deutlich reduziert werden. Dadurch werden bezüglich der Netzrückwirkungen gleichzeitig einzelne unzulässig hohe Störstromamplituden bei kritischen Frequenzen vermieden.
Es ist besonders vorteilhaft, wenn das erfindungsgemäße Testsignal offline generiert wird. Dadurch können bei der Generierung dieses Pseudorausch-Signal verschiedene Auswahl- oder Optimierungskriterien angewendet werden. Ein derartig generiertes Pseudorausch-Signal wird dann beispielsweise in einem Festwertspeicher einer feldorientierten Regelung einer stromrichtergespeisten geberlosen permanenterregten Synchronmaschine hinterlegt. Von diesem Festwertspeicher wird im laufenden Betrieb dieses offline generierte Pseudorausch-Signal ausgelesen.
Ein Blockschaltbild einer bekannten einfachen feldorientierten Regelung einer stromrichtergespeisten, geberlosen, permanenterregten Synchronmaschine ist in der 4 schematisch dargestellt. In diesem Blockschaltbild sind mit 2 eine geberlose, permanenterregte Synchronmaschine, mit 4 ein lastseitiger Stromrichter, insbesondere ein selbstgeführter Pulsstromrichter, mit 6 ein Steuersatz, auch als Modulator bezeichnet, mit 8 eine Grundschwingungs-Stromregelung, mit 10 eine Recheneinrichtung und 12 ein Modell, insbesondere ein Wechselrichtermodell, bezeichnet. Außerdem weist diese feldorien tierte Regelung noch zwei Koordinatenwandler 14 und 16 und zwei Vektordreher 18 und 20 auf. Mittels zweier Stromwandler 22 und 24 und des Koordinatenwandlers 14 werden aus zwei gemessenen Maschienstrom-Istwerten i_a und i_c zwei orthogonale Stromkomponenten i_α und i_β eines Maschinenstrom-Istraumzeigers generiert. Dieser Maschinenstrom-Istraumzeiger i_α, i_β ist noch ständerorientiert. Mit Hilfe des ersten Vektordreher 18 wird dieser ständerorientierte Maschinenstrom-Istraumzeiger i_α, i_β in einen läuferflussorientierten Maschinenstrom-Istraumzeiger i_d, i_q gedreht. Die eine Stromkomponente i_d dieses läuferflussorientierten Maschienenstrom-Istraumzeigers erstreckt sich in Richtung des von den Permanentmagneten erzeugten Fluss-Raumzeigers, wogegen die andere Stromkomponente i_q sich senkrecht dazu erstreckt. Damit das ständerorientierte kartesische Koordinatensystem a, b in das flussfeste Koordinatensystem d, q gedreht werden kann, muss die elektrische Lage des von den Magneten erzeugten Flusses der permanenterregten Synchronmaschine 2 bekannt sein. Diese elektrische Lage ist zwar fest mit der mechanischen Läuferlage verbunden, die sich bei Drehung der permanenterregten Synchronmaschine 2 aber auch verändern kann. Deshalb benötigt dieser Vektordreher 18 den Polradlagewinkel γ.
Der ständerorientierte Maschinenstrom-Istraumzeiger i_α, i_β wird zusammen mit einem generierten ständerorientierten Maschinenspannungs-Istraumzeiger u_α, u_β der Recheneinrichtung 10 zugeführt. Eine Ausführungsform dieser Recheneinrichtung 10 ist in der 6 näher dargestellt. Der ständerorientierte Maschinenspannungs-Istraumzeiger u_α, u_β wird mittels des Wechselrichtermodells 12, dem eine gemessene Zwischenkreisspannung u_ZW, Steuersignale S_ν und Maschinenstrom-Istwerte i_a, i_c und daraus berechneten i_b zugeführt sind, und mittels des zweiten Vektordrehers 16 ermittelt. An den Ausgängen des Wechselrichtermodells 12 stehen die Maschinenspannungs-Istwerte u_a, u_b und u_c an. Im einfachsten Fall können auch die Maschinenspannungs-Sollwerte u_αRef und u_βRef der feldorientierten Regelung verwendet werden. Die Recheneinrichtung 10 berechnet aus diesen ständerorientierten Maschinenstrom- Istkomponenten i_α und i_β des Maschinenstrom-Istraumzeigers und den ständerorientierten Maschinenspannungs-Istkomponenten u_α und u_β des Maschinenspannungs-Istraumzeigers einen Polradlagewinkel γ ^ und eine Läuferkreisfrequenz ω ^. Da diese Werte berechnet und nicht messtechnisch ermittelt sind, handelt es sich bei diesen Werten um Schätzwerte, die in der feldorientierten Regelung mit einem "∧" versehen sind. Der geschätzte Polradlagewinkel γ ^ wird als Drehwinkel für die beiden Vektordreher 18 und 20 verwendet, wogegen die geschätzte Läuferkreisfrequenz ω ^ für eine nicht näher dargestellte übergeordnete Drehzahlregelung und zur Vorsteuerung der Stromregelung 8 verwendet wird. Dazu wird diese geschätzte Läuferkreisfrequenz ω ^ einer Vorsteuereinrichtung 26 zugeführt, an deren Eingängen feldorientierte Maschinenstrom-Sollwerte i_gRef und i_qRef anstehen.
Die Grundschwingungs-Stromregelung 8 weist außer dieser Vorsteuereinrichtung 26 noch für jede der beiden Stromkomponenten i_gRef und i_qRef eines feldorientierten Maschinenstrom-Sollraumzeigers jeweils einen Stromregler 28 und 30 mit vorgeschaltetem Vergleicher 32 und 34 auf. Ausgangsseitig sind diese Stromregler 28 und 30 jeweils mit einem Addierer 36 und 38 verknüpft, an deren zweiten Eingängen jeweils ein weiterer Addierer 40 und 42 angeschlossen ist. Diese Addierer 40 und 42 sind jeweils mit einem ersten Eingang mit einem Ausgang der Vorsteuereinrichtung 26 verknüpft.
Da diese stromrichtergespeiste, permanenterregte Synchronmaschine 2 geberlos ist, wird zur Bestimmung der Rotorlage (Polradlagewinkel γ ^) und der Drehzahl (Läuferkreisfrequenz ω ^) ein Testsignal benötigt. Dazu weist die feldorientierte Regelung der stromrichtergespeisten, geberlosen, permanenterregten Synchronmaschine 2 einen Testsignal-Generator 44 auf. Diesem Testsignal-Generator 44 ist ein Spitzenwert Î_t des Betrages eines zu generierenden Teststrom-Raumzeigers i_tdRef, i_tqRef zugeführt. Ebenfalls generiert dieser Testsignal-Generator 44 einen Testspannungs-Raumzeiger u_tdRef, u_tqRef. Erfindungsgemäß ist dieser Testsignal-Generator 44 so ausgebildet, dass dieser ein zeitdiskretes Pseudorausch-Signal mit einer relativ langen Grundperiodendauer gemäß dem Zeitverlauf der 1 generiert. Die Komponenten u_tdRef und u_tqRef des Teststrom-Raumzeigers werden jeweils einem Vergleicher 32 bzw. 34 der Grundschwingungs-Stromregelung 8 zugeführt. Die Komponenten u_tdRef und u_tqRef des Testspannungs-Raumzeigers werden einem Eingang des Addierers 40 bzw. 42 zugeführt. Durch die Verwendung eines zeitdiskreten Pseudorausch-Signals als Testsignal anstelle eines Testsignals mit fester Frequenz verlieren die vom Testsignal erzeugten Motorgeräusche ihren stark tonalen Charakter, so dass diese selbst bei gleicher Lautstärke wesentlich weniger lästig empfunden werden. Sind zusätzliche Lärmquellen wie ein Lüfter vorhanden, so wird das Pseudorausch-Testsignal durch psychoakustische Verdeckungseffekte kaum noch wahrgenommen bzw. ganz unhörbar.
In der 5 ist ein Blockschaltbild einer vorteilhaften feldorientierten Regelung einer stromrichtergespeisten, geberlosen, permanenterregten Synchronmaschine 2 näher dargestellt. Diese vorteilhafte feldorientierte Regelung unterscheidet sich von der feldorientierten Regelung gemäß 4 dadurch, dass der Ausgang der Recheneinrichtung 10, an dem ein Schätzwert der Läuferkreisfrequenz ω ^ der permanent erregten Synchronmaschine 2 ansteht, dem Testsignal-Generator 44 zugeführt ist. Dieser Testsignal-Generator 44 ist in dieser Ausführungsform noch mit einem Multiplizierer 46 und einem Kennlinienglied 48 versehen. Ausgangsseitig ist dieses Kennlinienglied 48 mit einem Eingang des Multiplizierers 46 verknüpft, an dessen anderen Eingang der Spitzenwert Î_t des Betrages eines zu generierenden Teststrom-Raumzeigers i_tdRef, i_tqRef ansteht. Ausgangsseitig ist dieser Multiplizierer 46 mit einem Eingang des Testsignal-Generators 44 verknüpft. Das Kennlinienglied 48 ist eingangsseitig mit dem Ausgang der Recheneinrichtung 10 verbunden, an dem ein Schätzwert der Läuferkreisfrequenz ω ^ der geberlosen, permanenterregten Synchronmaschine 2 ansteht. Damit kann das Testsignal bei höherer Drehzahl in der Amplitude reduziert oder völlig abge schaltet werden, wenn es für die Funktion der Recheneinrichtung 10 nicht mehr benötigt wird. Diese Struktur dieser feldorientierten Regelung einer stromrichtergespeisten, geberlosen, permanenterregten Synchronmaschine 2 ist an sich bekannt, wobei der Testsignal-Generator 44 jedoch ein Testsignal mit fester Frequenz generiert.
In der 6 ist ein Blockschaltbild einer Ausführungsform der Recheneinrichtung 10 näher dargestellt. Diese Ausführungsform der Recheneinrichtung 10 ist aus dem bereits genannten Konferenzbericht mit dem Titel "Position-sensorless control of direct drive permanent magnet synchronous motors for railway traction" bekannt. Das Wesentliche an dieser Recheneinrichtung 10, die ebenfalls als Beobachter bezeichnet wird, ist, dass diese zwei Modelle 50 und 52 für die Bestimmung eines Polradlagewinkels γ ^ aufweist. Diese beiden geschätzten Polradlagewinkelfehler Δγ ^_v und Δγ ^_i werden mit einem Faktor g_V bzw. g_I gewichtet, wobei die Abweichung Δγ ^ zur Korrektur der geschätzten Läuferkreisfrequenz ω ^ und zur Korrektur des Polradlagewinkels γ ^ verwendet werden. Der Gewichtungsfaktor g_V steht am Ausgang eines weiteren Kennliniengebers 76 an. Der Gewichtungsfaktor g_I wird aus dem Gewichtungsfaktor g_V hergeleitet, in dem diesem eine Eins aufaddiert wird. Außerdem weist diese Recheneinrichtung 10 noch Konstantfaktoren 54, 56 und 58 und Integratoren 60 und 62 auf. Eingangsseitig weist diese Recheneinrichtung 10 zwei Vektordreher 64 und 66 auf, mit denen die Komponenten u_α und u_β des ständerorientierten Maschinenspannungs-Istraumzeigers und die Komponenten i_α und i_β des ständerorientierten Maschinenstrom-Istraumzeigers jeweils in Komponenten u_d, u_q und i_d, i_q eines feldorientierten Maschinenspannungs- und Maschinenstrom-Istraumzeigers gewandelt werden.
In der 7 ist ein Blockschaltbild einer weiteren vorteilhaften feldorientierten Regelung einer stromrichtergespeisten, geberlosen, permanenterregten Synchronmaschine 2 näher dargestellt. Diese weitere vorteilhafte feldorientierte Regelung unterscheidet sich von der Ausführungsform der feld orientierten Regelung der 5 dadurch, dass zusätzlich ein Testsignal-Regler 68 vorgesehen ist. Dieser Testsignal-Regler 68 ist eingangsseitig einerseits mit den Ausgängen des Vektordrehers 18 und andererseits mit den Ausgängen des Testsignal-Generators 44 verknüpft, an denen die Komponenten i_tdRef und i_tqRef eines Teststrom-Raumzeigers anstehen. Ausgangsseitig ist dieser Testsignal-Regler 68 mit seinen beiden Ausgängen jeweils mit einem Addierer 70 und 72 verbunden, die ausgangsseitig mit einem Eingang der beiden Addierer 40 und 42 verknüpft sind.
Diese Ausführungsform der weiteren vorteilhaften feldorientierten Regelung einer stromrichtergespeisten, geberlosen, permanenterregten Synchronmaschine 2 ist ebenfalls aus dem bereits genannten Konferenzbericht mit dem Titel "Positionsensorless control of direct drive permanent magnet synchronous motors for railway traction" bekannt. Gegenüber dieser bekannten Ausführungsform generiert der Testsignal-Generator 44 der Ausführungsform gemäß 7 ein zeitdiskretes Pseudorausch-Signal mit einer relativ langen Grundperiodendauer gemäß dem Zeitverlauf der 1.
Durch die Verwendung des Testsignal-Reglers 68 wird erreicht, dass ein abgespeicherter und ein realisierter Teststromverlauf im stationären Fall übereinstimmen, so dass keine unnötigen Stromreserven vorgehalten werden müssen. Durch die Verwendung des Pseudorausch-Signals als Testsignal gegenüber einem Testsignal mit fester Frequenz wird zusätzlich erreicht, dass die vom Testsignal erzeugten Motorgeräusche ihren stark tonalen Charakter verlieren und dadurch selbst bei gleicher Lautstärke wesentlich weniger als lästig empfunden werden. Beim Vorhandensein zusätzlicher Lärmquellen, z.B. Lüfter, wird das Pseudorausch-Signal durch psychoakustische Verdeckungseffekte weniger wahrgenommen bzw. ganz unhörbar.

Claims

Verfahren zum feldorientierten Betrieb einer stromrichtergespeisten, geberlosen, permanenterregten Synchronmaschine (2), wobei mittels eines einem Sollstrom-Raumzeiger (i_gRef, i_qRef) überlagerten Testsignals ein geschätzter Polradlagewinkel (γ ^) und eine geschätzte Läuferkreisfrequenz (ω ^) fortlaufend korrigiert werden, dadurch gekennzeichnet, dass als Testsignal ein zeitdiskretes Pseudorausch-Signal mit einer relativ langen Grundperiodendauer vorgesehen ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Pseudorausch-Signal einem Sollspannungs-Raumzeiger (u_tdRef, u_tqRef) überlagert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Frequenzspektrum des Pseudorausch-Signals eine hohe Anzahl von Spektrallinien kleiner Amplitude (A_spr, A_spv) aufweist.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Pseudorausch-Signal einen geringen Gleichanteil aufweist.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Spitzenwert (Î_t) des Betrages des Pseudorausch-Signals minimal ist.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zeitdiskrete Pseudorausch-Signal offline generiert wird.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zeitdiskrete Pseudorausch-Signal nur wenige diskrete Werte annimmt.