DE102007003874A1

DE102007003874A1 - Verfahren zum geberlosen Betrieb einer stromrichtergespeisten unsymmetrischen Drehfeldmaschine mit einem Testsignal

Info

Publication number: DE102007003874A1
Application number: DE102007003874A
Authority: DE
Inventors: Hans-Dieter Heining
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2007-01-25
Filing date: 2007-01-25
Publication date: 2008-02-21

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum feldorientierten Betrieb einer stromrichtergespeisten, geberlosen Drehfeldmaschine mit Unsymmetrien, wobei mittels eines Testsignals (ST1), das in Richtung einer vermuteten Flussachse der Drehfeldmaschine in diese eingespeist wird, eine geschätzte Flusslage $I1 fortlaufend korrigiert wird. Erfindungsgemäß sind als Testsignal (ST1) wenigstens zwei Wechselsignale (Sw1, Sw2) unterschiedlicher Frequenzen zeitgleich vorgesehen. Dadurch erhält man ein Verfahren zum feldorientierten, geberlosen Betrieb einer Drehfeldmaschine mit Unsymmetrien, insbesondere einer permanenterregten Synchronmaschine, dessen Genauigkeit und Robustheit im gesamten Drehzahlbereich wesentlich verbessert ist.

Description

Zur dynamischen Regelung von unsymmetrischen 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, auch als d-Achse bezeichnet) bzw. senkrecht dazu (Querachse, auch als q-Achse bezeichnet) ergeben. Durch Regelung der beiden Stromkomponenten in diesem relativ zur Rotorlage festen Koordinatensystem (d, q-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 Flusslage (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 einer Drehfeldmaschine mit Unsymmetrien, insbesondere einer permanenterregten Synchronmaschine 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 Flusslage 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 Drehfeldmaschine mit Unsymmetrien, insbesondere einer 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 Position 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 ein sinusförmiges Testsignal verwendet, das in der momentenbildenden Achse (q-Achse) eingespeist 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 an 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 Randbedingungen 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 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.
Aus der älteren nationalen Patentanmeldung mit dem amtlichen Aktenzeichen 10 2006 004 034.1 (2006P00061DE) ist ein Verfahren zum geberlosen Betrieb einer stromrichtergespeisten, permanenterregten Synchronmaschine bekannt, bei dem als Testsignal ein zeitdiskretes Pseudo-Rauschsignal, insbesondere ein Pseudo-Rauschsignal mit einer relativ langen Grundperiodendauer, verwendet wird. Durch die Verwendung dieses zeitdiskreten Pseudo-Rauschsignals werden die Spitzenwerte im Frequenzspektrum des Testsignals deutlich reduziert, da die Anregungen gleichmäßig über ganze Frequenzbereiche verteilt werden. Ein Pseudo-Rauschsignal mit einer relativ langen Grundperiodendauer ist dadurch gekennzeichnet, dass im zugehörigen Frequenzspektrum viele Spektrallinien mit kleiner Amplitude vorhanden sind. Dadurch ähnelt dieses Pseudo-Rauschsignal mit relativ langer Grundperiodendauer einem Rauschsignal. Ein Testsignal fester Frequenz weist demgegenüber ein Frequenzspektrum mit einer oder wenigen Spektrallinien mit hoher Amplitude auf. Durch die Verwendung dieses Testsignals verlieren die vom Testsignal verursachten Motorengeräusche ihren stark tonalen Charakter und werden daher auch bei gleicher Lautstärke, meist als weniger lästig empfunden.
Aus der US 2004/0257030 A1 ist ein Verfahren zum feldorientierten Betrieb einer geberlosen Drehfeldmaschine bekannt, das ein Testsignal verwendet. Als Testsignal wird ein hochfrequentes Rechtecksignal verwendet, von dem wenigstens eine Charakteristik (Frequenz, Amplitude) verändert wird. Zur Veränderung wenigstens einer Charakteristik des hochfrequenten Testsignals wird ein periodisches Signal verwendet, dessen Periodendauer wenigstens zehn Periodendauer des hochfrequenten Testsignals entspricht. Als Modulationssignal wird beispielsweise ein Rechtecksignal für Frequenz- und/oder Amplitudenveränderung des hochfrequenten Testsignals verwendet. Dies wird auch mit einem Dreiecksignal erreicht. Durch diese Frequenz- und/oder Amplitudenmodulation des hochfrequenten Testsignals verlieren die vom Testsignal verursachten Motorgeräusche ihren starken tonalen Charakter und werden dadurch meist als weniger lästig empfunden.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum feldorientierten, geberlosen Betrieb einer Drehfeldmaschine mit Unsymmetrien, insbesondere einer permanenterregten Synchronmaschine, anzugeben, dessen Genauigkeit und Robustheit im gesamten Drehzahlbereich wesentlich besser ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit dem kennzeichnenden Merkmal des Anspruchs 1 gelöst.
Dadurch, dass als Testsignal wenigstens zwei Wechselsignale unterschiedlicher Frequenz verwendet werden, die zeitgleich in wenigstens einer Achse der Drehfeldmaschine mit Unsymmetrien eingespeist werden, erhält man wenigstens zwei unterschiedliche Reaktionen, aus denen dann eine Abweichung einer geschätzten Flusslage von der tatsächlichen Flusslage der Drehfeldmaschine mit einer höheren Genauigkeit bestimmt werden kann. Dadurch kann die Regelung ohne großen Aufwand auf die tatsächliche Flusslage orientiert werden, wodurch eine korrekte Positionierung dieser Drehfeldmaschine möglich ist.
Bei einem vorteilhaften Verfahren werden zusätzlich zwei weitere Wechselsignale unterschiedlicher Frequenzen zeitgleich in eine Richtung quer zur vermuteten Flussachse der Drehfeldmaschine in diese Drehfeldmaschine eingespeist. Dadurch erhält man wenigstens zwei weitere Reaktionen, die wiederum getrennt ausgewertet werden können. Dadurch wird die Zuverläs sigkeit und die Genauigkeit des Verfahrens wesentlich verbessert.
Bei beiden Verfahren liegt das eine Wechselsignal im Bereich höherer Frequenzen, wobei das andere Wechselsignal im Bereich mittlerer bis höherer Frequenzen liegt. Der Bereich höherer Frequenzen ist einerseits durch die Schaltfrequenz, auch als Pulsfrequenz bezeichnet, eines die Drehfeldmaschine speisenden Stromrichters und andererseits durch einen n-ten Teil dieser Schaltfrequenz festgelegt. Der Bereich der mittleren bis höheren Frequenzen erstreckt sich zwischen dem Wert der Frequenz des ersten Wechselsignals und einem Mehrfachen der Ständerfrequenz der Drehfeldmaschine. Werden in jeder Achse der Drehfeldmaschine wenigstens zwei Wechselsignale unterschiedlicher Frequenz eingespeist, so sollten die Werte der Frequenzen der beiden Wechselsignale im Bereich der höheren Frequenz möglichst weit voneinander beabstandet sein, damit man eindeutig zuordbare Reaktionen erhält. Das gleiche gilt für die Werte der Frequenzen der beiden Wechselsignale im Bereich mittlerer bis höherer Frequenz.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens ist das erste Wechselsignal sinusförmig und das zweite Wechselsignal blockförmig ausgebildet. Dadurch können die beiden Wechselsignale jeweils auf einen Unsymmetrieeffekt der Drehfeldmaschine abgestimmt werden. Dadurch erhält man als Ergebnis zweimal einen Wert für eine Fehlorientierung, wobei dieses Ergebnis in Abhängigkeit von zwei unterschiedlichen Unsymmetrieeffekten der Drehfeldmaschine ermittelt ist. Somit wird die Zuverlässigkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens weiter verbessert.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen des Verfahrens sind den Unteransprüchen 9 bis 18 zu entnehmen.
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 eine bekannte feldorientierte Regelung einer geberlosen, permanenterregten Synchronmaschine mit einem erfindungsgemäßen Testsignal, in der
2 ist in einem Diagramm über der Zeit t ein erstes Wechselsignal eines erfindungsgemäßen Testsignals dargestellt, die
3 zeigt in einem Diagramm über der Zeit t ein zweites Wechselsignal eines erfindungsgemäßen Testsignals, wogegen in der
4 in einem Diagramm über der Zeit t ein erfindungsgemäßes Testsignal veranschaulicht ist, die
5 zeigt eine bekannte feldorientierte Regelung einer geberlosen, permanenterregten Synchronmaschine mit einem vorteilhaften erfindungsgemäßen Testsignal, und in der
6 ist eine bekannte feldorientierte Regelung einer geberlosen, permanenterregten Synchronmaschine mit einem weiteren vorteilhaften erfindungsgemäßen Testsignal dargestellt.
In der 1 ist ein Blockschaltbild einer bekannten einfachen feldorientierten Regelung einer stromrichtergespeisten, geberlosen, permanenterregten Synchronmaschine 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 feldorientierte 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 Maschinenstrom-Istwerten i_a und i_c zwei orthogonale Stromkomponenten i_α und i_β eines Maschinenstrom-Istraumzei gers 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 Maschinenstrom-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 der älteren nationalen Patentanmeldung mit dem amtlichen Aktenzeichen 10 2006 004 034.1 (2006P00061DE) 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 Polradla gewinkel 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 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_dRef 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, deren zweite Eingänge jeweils mit einem Ausgang der Vorsteuereinrichtung 26 verknüpft sind.
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.
Erfindungsgemäß ist dieser Signal-Generator 44 so ausgebildet, dass dieser ein zusammengesetztes Testsignal ST (4) generiert, das aus wenigstens zwei Wechselsignalen S_W1 (2) und S_W2 (3) unterschiedlicher Frequenzen zusammengesetzt ist. Dieses erfindungsgemäße Testsignal ST wird vorzugsweise in Richtung der vermuteten Flussachse (d-Achse) eingespeist, da sie dort keine bis nur minimale zusätzliche Reaktionen wie Drehmomentschwankungen bzw. Geräusche hervorrufen. Deshalb ist der Testsignal-Generator 44 ausgangsseitig mit dem Vergleicher 32 verbunden. Damit am Ausgang des Testsignal-Generators 44 ein Testsignal ST gemäß der 4 anstehen kann, sind diesem Testsignal-Generator ein Amplitudenwert A_T1 und ein Frequenzwert f_T1 eines ersten Wechselsignals S_W1 und ein Amplitudenwert A_T2 und ein Frequenzwert f_T2 eines zweiten Wechselsignals S_W2, zugeführt. Die mit diesen Werten A_T1, f_T1 und A_T2, f_T2 bestimmten Wechselsignale S_W1 und S_W2 sind in den 2 und 3 jeweils in einem Diagramm über der Zeit t dargestellt. Gemäß der Erfindung weisen diese beiden Wechselsignale S_W1 und S_W2 unterschiedliche Frequenzen auf. Das Wechselsignal S_W1 liegt im Bereich höherer Frequenzen, wogegen das Wechselsignal S_W2 im Bereich mittlerer bis höherer Frequenzen liegt. Bei dieser feldorientierten Regelung einer geberlosen, permanenterregten Synchronmaschine 2 wird der Bereich höherer Frequenzen einerseits durch die Schaltfrequenz f_S des speisenden Stromrichters 4 und andererseits durch einen n-ten Teil dieser Schaltfrequenz f_S festgelegt. Somit gilt für diese Frequenz f_T1 des ersten Wechselsignals S_W1 des erfindungsgemäßen Testsignals ST folgendes: fS/n ≤ fT1 ≤ fS mit n = 4, 5, 6, ...
Der Bereich mittlerer bis höherer Frequenzen wird hier einerseits durch die Frequenz f_T1 des ersten Wechselsignals S_W1 des erfindungsgemäßen Testsignals ST und andererseits durch ein Mehrfaches der Ständerfrequenz f₁ der stromrichtergespeisten, geberlosen, permanenterregten Synchronmaschine 2 vorbestimmt. Somit gilt für die Frequenz f_T2 des zweiten Wechselsignals S_W2 des erfindungsgemäßen Testsignals S_T folgendes: n·f1 ≤ fT2 < fT1 mit n = 4, 5, 6, ...
Da diese beiden Wechselsignale S_W1 und S_W2 zeitgleich eingespeist werden, entspricht der Verlauf des erfindungsgemäßen Testsignals ST den beiden überlagerten Verläufen der beiden Wechselsignale S_W1 und S_W2. Jedes dieser Testsignale S_W1 und S_W2 verursachen in der Drehfeldmaschine 2 mit Unsymmetrien Reaktionen, die getrennt voneinander ermittelt und zur Be stimmung eines Wertes der Fehlorientierung dieser feldorientierten Regelung ausgewertet werden. Durch die Verwendung von wenigstens zwei Wechselsignalen S_W1 und S_W2 unterschiedlicher Frequenzen erhält man eine "mehrdimensionale" Information hinsichtlich des Wertes der Fehlorientierung. Damit die hervorgerufenen Reaktionen in der Drehfeldmaschine mit Unsymmetrien möglichst messtechnisch gesehen groß sind, ist es vorteilhaft, wenn diese Wechselsignale S_W1 und S_W2 jeweils in Frequenz, Kurvenform und Phasenlage an die jeweilige stromrichtergespeiste Drehfeldmaschine mit Unsymmetrien angepasst sind.
Das Wechselsignal S_W1, das eine beliebige Form aufweisen kann, muss nicht auf eine feste Frequenz des angegebenen höheren Frequenzbereiches eingestellt sein, sondern kann auch stochastisch verändert werden, was je nach Schaltfrequenz f_S des Stromrichters als angenehmer empfunden werden kann. Außerdem ist es von Vorteil, wenn das Testsignal ST und damit die beiden Wechselsignale S_W1 und S_W2 taktsynchron, d.h., diese Wechselsignale S_W1 und S_W2 sind auf die Pulserzeugung synchronisiert, eingespeist werden. Dadurch fällt die Istwerterfassung und die Signalverarbeitung bzw. -aufbereitung besonders einfach aus. Diesem ersten Wechselsignal S_W1 kann zusätzlich oder alternativ ein Offset überlagert werden, um die Reaktion auf jede Halbschwingung der Grundschwingung der Drehfeldmaschine mit Unsymmetrien auch jeweils getrennt zu erfassen.
Das zweite Wechselsignal S_W2, das im Bereich mittlerer bis höherer Frequenzen liegt, wird vorteilhafterweise gezielt zur Verstärkung bzw. Abschwächung von Sättigungseffekten eingesetzt, deren Auswirkungen unabhängig von der Reaktion auf das erste Wechselsignal S_W1 ausgewertet werden können. Eine vorteilhafte Kurvenform des zweiten Wechselsignals S_W2 ist blockförmig, wie in dem Diagramm der 3 näher dargestellt ist, oder rampenförmig. Die Frequenz f_T2 dieses zweiten Wechselsignals S_W2 kann innerhalb des angegebenen Frequenzbereiches fest oder variabel vorgegeben werden bzw. kann abhängig vom Ergebnis einer Auswertung verstellt werden. Das heißt, dass jeweils ein Block des blockförmigen zweiten Wechselsignals S_W2 nur so lange ansteht, bis eine Reaktion darauf eindeutig zugeordnet werden kann. Dadurch kann die Frequenz f_T2 dieses zweiten Wechselsignals S_W2 optimal eingestellt werden, wodurch die Reaktion auf dieses zweite Wechselsignal S_W2 verbessert wird. Ist der Verlauf dieses zweiten Wechselsignals S_W2 rampenförmig, so kann zusätzlich zur Veränderung der Frequenz f_T2 auch noch seine Amplitude A_T2 nur so weit angesteuert werden, bis die Reaktion darauf eindeutig zugeordnet werden kann. Dadurch wird die Reaktion auf dieses zweite Wechselsignal S_W2 weiter verbessert und die "Nebenwirkungen" minimiert.
Die Amplituden A_T1 und A_T2 der Wechselsignale S_W1 und S_W2 des erfindungsgemäßen Testsignals S_T können an den Antrieb je nach Typ der Maschine und des Umrichters (Spannungsklasse, Leistungsklasse, Motorparameter, ...) angepasst werden. Diese Anpassung der Amplituden A_T1 und A_T2 der Wechselsignale S_W1 und S_W2 können zunächst werkseitig so erfolgen, dass die Reaktionen darauf ausreichend sind, um damit eine Fehlorientierung zuverlässig zu erkennen und zu beheben. Während des Betriebs des Antriebs kann die Anpassung der Amplituden A_T1 und A_T2 der Wechselsignale S_W1 und S_W2 mittels eines Regelkreises erfolgen, der je nach Betriebspunkt von Soll- und/oder Istwerten geregelt bzw. vorgesteuert werden kann. Dabei ist es vorteilhaft, wenn die Amplituden A_T1 und A_T2 der Wechselsignale S_W1 und S_W2 so lange vergrößert werden, solange eine Auswertung signalisiert, dass die verwertbare Information zur Bestimmung der Lage noch unsicher ist. Desgleichen kann es bei der Anpassung der Amplituden A_T1 und A_T2 der Wechselsignale S_W1 und S_W2 des erfindungsgemäßen Testsignals ST auch vorteilhaft sein, die Amplituden A_T1 und A_T2 zu verkleinern, falls die Auswertung signalisiert, dass die verwertbare Information zur Bestimmung der Lage deutlich im sicheren Bereich liegt. Das heißt, dass man auch mit Wechselsignalen S_W1 und S_W2, die kleinere Amplitudenwerte aufweisen, noch eine ausreichend gu te Qualität der Lageerfassung möglich ist, da dann die "Nebenwirkungen" der Lageerfassung reduziert werden.
Die Amplituden A_T1 und A_T2 der Wechselsignale S_W1 und S_W2 können auch betriebspunktabhängig, beispielsweise lastabhängig, vorgesteuert werden. Diese Möglichkeiten der Anpassung der Amplituden A_T1 und A_T2 der Wechselsignale S_W1 und S_W2 können gemeinsam oder auch getrennt voneinander ausgeführt werden.
Die Reaktionen auf die verschiedenen zeitgleich eingespeisten Wechselsignale S_W1 und S_W2 des Testsignals ST werden alle jeweils getrennt voneinander ausgewertet und dem jeweiligen Wechselsignal S_W1 und S_W2 bzw. den damit beabsichtigten Effekten zugeordnet. Da gleichzeitig mehrere Reaktionen (mehrere Effekte) ausgewertet werden können, wird die Zuverlässigkeit der Ermittlung der Fehlorientierung erhöht. Außerdem können die einzelnen Reaktionen untereinander auf Plausibilität geprüft werden. Ferner kann jede Reaktion bezüglich Signalqualität bewertet werden, die zur weiteren Verarbeitung und/oder Gewichtung bei der Bestimmung der Lage vorteilhaft verwendet werden können.
In der 5 ist eine vorteilhafte Ausführungsform des Verfahrens zum feldorientierten Betrieb einer stromrichtergespeisten, geberlosen Drehfeldmaschine mit Unsymmetrien, insbesondere einer geberlosen, permanenterregten Synchronmaschine 2, dargestellt. Diese unterscheidet sich von der Ausführungsform gemäß 1 dadurch, dass zusätzlich ein Testsignal S_T2 in Richtung quer zur vermuteten Flussachse (q-Achse) eingespeist wird. Um dieses zusätzliche Testsignal S_T2 zu generieren, sind dem Testsignal-Generator 44 Amplitudenwerte A_T3 und A_T4 und Frequenzwerte f_T3 und f_T4 zweier weiterer Wechselsignale S_W3 und S_W4 zugeführt. Diese weiteren Wechselsignale S_W3 und S_W4 können wie die Wechselsignale S_W1 und S_W2 ebenfalls sinus- und blockförmig ausgebildet sein. Frequenzmäßig müssen sich diese weiteren Wechselsignale S_W3 und S_W4 deutlich von den Wechselsignalen S_W1 und S_W2 unterscheiden, damit die hervorgerufenen Reaktionen in der Drehfeldmaschine mit Unsym metrien auch diesen Wechselsignalen S_W3 bzw. S_W4 zugewiesen werden können. Also können die Frequenzen f_T1 und f_T3 bzw. f_T2 und f_T4 beispielsweise jeweils innerhalb eines zugehörigen Frequenzbereiches im Bereich der Bereichsgrenzen angesiedelt werden.
Durch die Verwendung eines weiteren Testsignals S_T2, bestehend aus wenigstens zwei Wechselsignalen S_W3 und S_W4 unterschiedlicher Frequenzen, erhält man wenigstens zwei weitere Reaktionen. Insgesamt werden somit gleichzeitig vier Reaktionen in der Drehfeldmaschine mit Unsymmetrien hervorgerufen, aus denen jeweils ein Wert der Fehlorientierung der fehlorientierten Regelung abgeleitet wird. Das heißt, für ein und dieselbe Fehlorientierung erhält man vier Fehlerwerte, die zur Korrektur der Fehlorientierung der Regelung herangezogen werden. Welcher Wert zur Korrektur der Fehlorientierung verwendet wird, hängt beispielsweise davon ab, welche Signalqualitäten den einzelnen Reaktionen zugeordnet werden bzw. wie die Plausiprüfung ausgefallen ist. Dazu können die Reaktionssignale gewichtet werden, die je nach Antrieb bereits werkseitig voreingestellt sind, und während des Betriebs des Antriebs betriebsabhängig durch lernende Verfahren, beispielsweise neuronale Netze, ständig und nachhaltig angepasst werden. Mittels eines Auswerteverfahrens müssen aus einer Vielzahl von Werten für eine Fehlorientierung der "richtige" Wert ausgewählt werden, der dann zur Korrektur der bestehenden Fehlorientierung herangezogen wird. Somit wird erreicht, dass die Zuverlässigkeit zur Bestimmung der Fehlorientierung wesentlich erhöht wird.
In der 6 ist eine weitere Ausführungsform des Verfahrens zum feldorientierten Betrieb einer stromrichtergespeisten geberlosen Drehfeldmaschine mit Unsymmetrien, insbesondere einer geberlosen, permanenterregten Synchronmaschine 2, dargestellt. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der Ausführungsform der 5 dadurch, dass die Testsignale S_T1 und S_T2 nicht als Stromsollwerte, sondern als Spannungssollwerte in den beiden Achsen (d-Achse, q-Achse) der Drehfeldma schine mit Unsymmetrien eingespeist werden. Dazu sind die Ausgänge des Testsignal-Generators 44 jeweils mit einem Addierer 40 und 42 verknüpft. Diese beiden Addierer 40 und 42 sind jeweils mit einem ersten Eingang mit einem Ausgang einer Vorsteuereinrichtung 26 verknüpft. Die Reaktion, die durch die Einspeisung wenigstens eines Testsignals S_T1 und S_T2, bestehend wenigstens aus zwei Wechselsignalen S_W1, S_W2 bzw. S_TW3, S_W4 unterschiedlicher Frequenzen, hervorgerufen werden, sind vom Einspeisepunkt abhängig.
Das Wesentliche am erfindungsgemäßen Verfahren zum Betrieb einer stromrichtergespeisten, geberlosen Drehfeldmaschine mit Unsymmetrien, insbesondere einer geberlosen, permanenterregten Synchronmaschine 2, ist, dass zweitgleich mehrere Wechselsignale S_W1, S_W2 unterschiedlicher Frequenzen f_T1, f_T2 eines Testsignals _Sri in mindestens eine der beiden Achsen der Drehfeldmaschine eingespeist werden, die verschiedene Reaktionen hervorrufen, die voneinander getrennt ausgewertet werden können. Dadurch erhält man wenigstens zwei Werte für ein und dieselbe Fehlorientierung, von denen ein Wert für die Korrektur dieser Fehlorientierung verwendet wird. Das heißt, man erhält immer wenigstens zwei Werte für ein und dieselbe Fehlorientierung, von denen immer ein Wert der richtigere Wert ist.

Claims

Verfahren zum feldorientierten Betrieb einer stromrichtergespeisten, geberlosen Drehfeldmaschine mit Unsymmetrien, wobei mittels eines Testsignals (S_T1), das in Richtung einer vermuteten Flussachse der Drehfeldmaschine in diese eingespeist wird, eine geschätzte Flusslage (γ ^) fortlaufend korrigiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass als Testsignal (S_T1) wenigstens zwei Wechselsignale (S_W1, S_W2) unterschiedlicher Frequenzen zeitgleich vorgesehen sind.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich wenigstens zwei weitere Wechselsignale (S_W3, S_W4) unterschiedlicher Frequenzen (f_T3, f_T4) zeitgleich in einer Richtung quer zur vermuteten Flussachse der Drehfeldmaschine in diese eingespeist werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Wert der Frequenz (f_T1, f_T3) jeweils des ersten Wechselsignals (S_W1, S_W3) kleiner oder gleich einer Schaltfrequenz (f_S) des speisenden Stromrichters (4) der geberlosen Drehfeldmaschine mit Unsymmetrien, aber größer einem n-ten Teil einer Schaltfrequenz (f_S) ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Wert der Frequenz (f_T2, f_T4) jeweils des zweiten Wechselsignals (S_W2, S_W4) kleiner dem Wert der Frequenz (f_T1, f_T3) des ersten Wechselsignals (S_W1, S_W3), aber größer einem Mehrfachen einer Ständerfrequenz (f₁) der stromrichtergespeisten Drehfeldmaschine mit Unsymmetrien ist.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenzen (f_T1, f_T3) der ersten Wechselsignale (S_W1, S_W3) unterschiedlich sind.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenzen (f_T2, f_T4) der zweiten Wechselsignale (S_W2, S_W4) unterschiedlich sind.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Wechselsignale (S_W1, S_W3) sinusförmig ausgebildet sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Wechselsignale (S_W2, S_W4) blockförmig ausgebildet sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Wechselsignale (S_W2, S_W4) rampenförmig ausgebildet sind.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Amplituden (A_T1, A_T3, A_T2, A_T4) der ersten und zweiten Wechselsignale (S_W1, S_W3, S_W2, S_W4) jeweils betriebspunktabhängig geregelt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Amplituden (A_T1, A_T3, A_T2, A_T4) der ersten und zweiten Wechselsignale (S_W1, S_W3, S_W2, S_W4) jeweils getrennt voneinander vorgesteuert werden.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenzen (f_T1, f_T3, f_T2, f_T4) der ersten und zweiten Wechselsignale (S_W1, S_W3, S_W2, S_W4) jeweils innerhalb einer vorbestimmten Bandbreite variabel vorgegeben sind.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenzen (f_T1, ..., f_T4) innerhalb der vorbestimmten Bandbreite stochastisch verändert werden.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Wechselsignale (S_W1, S_W3) ^jeweils zur Pulsfrequenz (f_S) des speisenden Stromrichters (4) der geberlosen Drehfeldmaschine mit Unsymmetrien synchronisiert sind.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jede Reaktion auf eines der ersten und zweiten Wechselsignale (S_W1, S_W3, S_W2, S_W4) ermittelt wird und diese Reaktionssignale getrennt voneinander ausgewertet werden.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die ermittelten Reaktionssignale jeweils hinsichtlich der Qualität bewertet werden.
Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass die ermittelten Reaktionssignale untereinander auf Plausibilität geprüft werden.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die ermittelten Reaktionssignale in Abhängigkeit der bewerteten Qualität gewichtet werden.