DE102008045622A1

DE102008045622A1 - Verfahren zur Adaption einer Polradorientierung einer nicht linearen, geberlosen, permanenterregten Synchromaschine

Info

Publication number: DE102008045622A1
Application number: DE102008045622A
Authority: DE
Inventors: Thilo Weigel
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2008-09-03
Filing date: 2008-09-03
Publication date: 2010-04-08
Anticipated expiration: 2028-09-04
Also published as: DE102008045622B4

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Adaption eines geschätzten Polradwinkels $I1 einer stromrichtergespeisten, polradorientiert betriebenen, geberlosen, nicht linearen, permanenterregten Synchronmaschine (2) in einem gesteuerten Betrieb bei kleinen Polradwinkelgeschwindigkeiten $I2 Erfindungsgemäß wird in Abhängigkeit einer Modellfunktion $I3 eines Polradwinkelgeschwindigkeit-Sollwerts (omega*) und einer polradorientierten Ständerspannungskomponente $I4 eine Stellgröße (e') berechnet, mit der ein geschätzter Polradwinkel $I5 derart nachgeführt wird, dass diese berechnete Stellgröße (e') zu Null wird. Somit kann man eine geberlose, nicht lineare, permanenterregte Synchronmaschine (2) im gesteuerten Betrieb unter beliebiger Last bis zum Kippmoment aus dem Stillstand anfahren, wobei man mit dem adaptierten Polradwinkel $I6 drehmomentstetig in einen vollständig geregelten Betrieb wechseln kann.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Adaption eines geschätzten Polradwinkels einer stromrichtergespeisten, polradorientiert betriebenen, geberlosen, nicht linearen permanenterregten Synchronmaschine in einem gesteuerten Betrieb bei kleinen Polradwinkelgeschwindigkeiten und auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
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. In diesem gesteuerten Betrieb werden der Strom und die Frequenz gesteuert. Deshalb wird dieser Betrieb auch als Strom-Frequenzgesteuerter Betrieb, im Folgenden IF-Betrieb genannt, bezeichnet. 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, ein gesetzt. Die Frequenz liegt dabei deutlich unterhalb der Wechselrichter-Schaltfrequenz, meist im Bereich oberhalb von 100 Hz 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 Fre quenz 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.
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.
Das dieser Erfindung zugrundeliegende Problem ist die Schätzung der Polradorientierung, respektive die EMK-Orientierung im IF-Betrieb bei einer permanenterregten Synchronmaschine, die stark nicht linear konstruiert ist.
In Abhängigkeit von einer geforderten Last führt die geberlose nicht lineare permanenterregte Synchronmaschine im IF-Betrieb einen beträchtlichen Strom in Richtung der Magnetachse dieser Synchronmaschine. Ein konventioneller Phasenregelkreis zur Adaption der EMK-Orientierung versagt in diesem Betriebspunkt bei einer nicht linearen permanenterregten Synchronmaschine. Die Kenntnis der Polradorientierung bereits im IF-Betrieb ist jedoch notwendig, um bei ausreichender Frequenz, d. h. bei einer Frequenz größer als die Maximalfrequenz des IF-Betriebs, ohne Anregung im Drehmoment einen Stromregelkreis einer feldorientierten Regelung eines diese geberlose, nicht lineare, permanenterregte Synchronmaschine speisenden Umrichters auf die magnetische Achse zu orientieren.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Adaption einer Polradorientierung einer geberlosen, nicht linearen, permanenterregten Synchronmaschine anzugeben.
Diese Aufgabe wird mit den Verfahrensschritten des Anspruchs 1 erfindungsgemäß gelöst.
Um einen geschätzten Polradwinkel einer geberlosen, nicht linearen, permanenterregten Synchronmaschine im gesteuerten Betrieb adaptieren zu können, wird eine Stellgröße in Abhängigkeit eines Maschinenstrom- und eines -spannungsraumzeigers, die auf den geschätzten Polradwinkel orientiert sind, und eines Sollwertes für die Polradwinkelgeschwindigkeit berechnet, wobei eine Modellbildung eines realen Querflusses der geberlosen, nicht linearen, permanenterregten Synchronmaschine verarbeitet wird. Dieser Querfluss ist von den feldorientierten Stromkomponenten eines auf den geschätzten Polradwinkel orientierten Maschinenstrom-Raumzeigers nicht linear abhängig. Mittels dieser berechneten Stellgröße wird der geschätz te Polradwinkel derart nachgeführt, dass diese Stellgröße zu Null wird. Durch die Achsenkopplung in der Modellfunktion für den Querfluss einer geberlosen, nicht linearen, permanenterregten Synchronmaschine konvergiert das erfindungsgemäße Verfahren auf die Polradachse dieser Synchronmaschine.
Dadurch kann eine geberlose, nicht lineare, permanenterregte Synchronmaschine im gesteuerten Betrieb unter einer beliebigen Last bis zum Kippmoment aus dem Stillstand angefahren werden, wobei mit der Kenntnis des Polradwinkels drehmomentstetig in einen vollständig geregelten Betrieb gewechselt werden kann.
Daraus ergeben sich folgende Vorteile:

1. Geringer Aufwand im Vergleich zu einem Verfahren mit Testsignal.
2. Keine Geräuschentwicklung, wie sie bei Überlagerung von Testimpulsen entsteht.
3. Keine Mindestanforderung an eine vorhandene magnetische Unsymmetrie, wie bei einem Verfahren mit Testsignal.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist für die nicht lineare Funktion (Modellbildung eines realen Querflusses), mit der die Stellgröße für eine Nachführung eines geschätzten Polradwinkels berechnet wird, eine Kurvenschar hinterlegt. Dadurch vereinfacht sich die Berechnung dieser Stellgröße erheblich, wodurch Rechenleistung eingespart wird.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens schematisch veranschaulicht ist.
1 zeigt eine bekannte feldorientierte Regelung einer geberlosen, nicht linearen, permanenterregten Synchronmaschine mit einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, in der
2 ist ein Blockschaltbild einer Ausführungsform der Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens veranschaulicht, die
3 zeigt ein Blockschaltbild einer Ausführungsform eines PI₂-Reglers der Ausführungsform der 2, die
4 zeigt in einem Diagramm über einem Querstrom mit Parameter Längsstrom einen gemessenen Querfluss, und die
5 zeigt in einem Diagramm über einer Auslenkung der umrichtergespeisten geberlosen, nicht linearen, permanenterregten Synchronmaschine aus der Polradachse eine Stellgröße bei Vernachlässigung der Achsverkopplung, wobei die
6 diese Stellgröße bei Berücksichtigung der Achsverkopplung im Modellfluss über eine Auslenkung in einem Diagramm zeigt.
In der 1 ist ein Blockschaltbild einer aus der DE 10 2007 003 874 A1 bekannten feldorientierten Regelung einer stromrichtergespeisten, geberlosen, permanenterregten Synchronmaschine schematisch dargestellt, die um eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens erweitert worden ist. 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, die auch als Flussrechner bezeichnet wird, und mit 12 ein Modell, insbesondere ein Wechselrichtermodell, bezeichnet. Außerdem weist diese feldorientierte Regelung noch zwei Koordinatenwandler 14 und 16, zwei Vektordreher 18 und 20 und eine Vorrichtung 26 auf, mit der das erfindungsgemäße Verfahren realisiert wird. Ein Blockschaltbild einer Ausführungsform dieser Vorrichtung 26 ist in der 2 näher dargestellt.
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-Istraumzeigers i generiert. Dieser Maschinenstrom-Istraumzeiger i mit seinen kartesischen Stromkomponenten i_α, i_β ist noch ständerorientiert. Mit Hilfe des ersten Vektordrehers 18 werden diese kartesischen Stromkomponenten i_α, i_β des ständerorientierten Maschinenstrom-Istraumzeigers i in orthogonale Stromkomponenten i_d, i_q eines polradorientierten Maschinenstrom-Istraumzeigers i gedreht. Die eine orthogonale Stromkomponente i_d dieses polradorientierten Maschinenstrom-Istraumzeigers i erstreckt sich in Richtung des von den Permanentmagneten erzeugten Fluss-Raumzeigers, weshalb dieser auch als Längsstrom bezeichnet wird, wogegen die andere orthogonale Stromkomponente i_q sich senkrecht dazu erstreckt, weswegen diese als Querstrom bezeichnet wird. Damit das ständerorientierte kartesische Koordinatensystem α, β 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.
Die Stromkomponenten i_α, i_β des ständerorientierten Maschinenstrom-Istraumzeigers i werden zusammen mit orthogonalen Komponenten u_α, u_β eines generierten ständerorientierten Maschinenspannungs-Istraumzeigers u der Recheneinrichtung 10 (Flussrechner) zugeführt. Eine Ausführungsform dieser Recheneinrichtung 10 ist in der 6 der DE 10 2006 004 034 A1 näher dargestellt. Die Spannungskomponenten u_α, u_β des ständerorientierten Maschinenspannungs-Istraumzeigers u werden mittels des Wechselrichtermodells 12, dem eine gemessene Zwischenkreisspannung u_ZW, Steuersignale S_ν und die gemessenen Maschinenstrom-Istwerte i_a, i_c und der daraus berechnete Maschinenstrom-Istwert i_b zugeführt sind, und mittels des zwei ten Vektordrehers 16 ermittelt. An den Ausgängen des Wechselrichtermodells 12 stehen Maschinenspannungs-Istwerte u_a, u_b und u_c an. Im einfachsten Fall können auch die berechneten ständerorientierten Maschinenspannungs-Sollwertkomponenten 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 i und den ständerorientierten Maschinenspannungs-Istkomponenten u_α und u_β des Maschinenspannungs-Istraumzeigers u einen Polradlagewinkel γ ^ und eine Läuferkreisfrequenz ω ^, die auch als Polradwinkelgeschwindigkeit bezeichnet wird. 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 Polradwinkelgeschwindigkeit ω ^ für eine nicht näher dargestellte übergeordnete Drehzahlregelung und zur Vorsteuerung der Stromregelung 8 verwendet wird. Dazu wird diese geschätzte Polradwinkelgeschwindigkeit ω ^ einer Vorsteuereinrichtung 28 zugeführt, an deren Eingängen feldorientierte Maschinenstrom-Sollwertkomponente i_dRef und i_qRef anstehen.
Die Grundschwingungs-Stromregelung 8 weist außer dieser Vorsteuereinrichtung 28 noch für jede der beiden Strom-Sollkomponenten i_dRef und i_qRef eines läuferflussorientierten Maschinenstrom-Sollraumzeigers i _Ref jeweils einen Stromregler 30 und 32 mit vorgeschaltetem Vergleicher 34 und 36 auf. Ausgangsseitig sind diese Stromregler 30 und 32 jeweils mit einem Addierer 38 und 40 verknüpft, deren zweite Eingänge jeweils mit einem Ausgang der Vorsteuereinrichtung 28 verknüpft sind.
In der 2 ist ein Blockschaltbild der Vorrichtung 26 zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens näher dargestellt. Gemäß diesem Blockschaltbild sind mit 42 eine Recheneinrichtung, mit 44 ein Regler, mit 46 und 48 jeweils ein Vektordreher und mit 50 ein Koordinatenwandler bezeichnet. Außerdem sind in dieser Darstellung Teile der bekannten feldorientierten Regelung der 1 zum besseren Verständnis der Erfindung dargestellt. Zu diesen Teilen gehören die Grundschwingungs-Stromregelung 8, der Modulator 6, die Stromwandler 22 und 24 und die geberlose, permanenterregte Synchronmaschine 2, die nicht linear konstruiert ist. Die Recheneinrichtung 42 ist ausgangsseitig mit einem Eingang des Reglers 44 verknüpft. Als Regler 44 ist ein proportional-integral wirkender Regler zweiter Ordnung vorgesehen, der auch als PI₂-Regler bezeichnet wird. Dieser PI₂-Regler ist durch seine angegebene Übertragungsfunktion gekennzeichnet, wobei eine Ausführungsform dieses Reglers 44, auch als Reglerstruktur bezeichnet, in der 3 näher dargestellt ist. Diesem Regler 44 sind neben dem Ausgangssignal e' der Recheneinrichtung 42 auch noch ein Polradwinkelgeschwindigkeits-Sollwert ω* als Vorsteuerwert zugeführt. Am Ausgang dieses PI₂-Reglers 44, steht ein adaptierter geschätzter Polradwinkel φ ^ sowie eine geschätzte Polradgeschwindigkeit ω ^ an. Der Ausgang dieses PI₂-Reglers 44 an dem der adaptierte, geschätzte Polradwinkel φ ^ ansteht, ist jeweils auf einen Winkeleingang eines jeden Vektordrehers 46 bzw. 48, wobei der Ausgang dieses PI₂-Reglers 44, an dem eine geschätzte Polradwinkelgeschwindigkeit ω ^ ansteht, auf die Recheneinrichtung 42 zurückgeführt. Ausgangsseitig sind diese beiden Vektordreher 46 und 48 mit Eingängen der Recheneinrichtung 42 verknüpft. An einem weiteren Eingang dieser Recheneinrichtung 42 steht der Polradwinkelgeschwindigkeit-Schätzwert ω ^ an.
Eingangsseitig ist der Vektordreher 46 mit dem Koordinatenwandler 50 verbunden, mittels dem ein dreiphasiges Koordinatensystem in ein orthogonales Koordinatensystem umgewandelt wird. Die Eingänge des Koordinatenwandlers 50 sind einerseits mit Ausgängen der beiden Stromwandler 22 und 24 und andererseits mit einem in dieser Darstellung nicht näher dargestellten Addierer verknüpft. Gemäß 1 wird mittels dieses Addierers aus den beiden gemessenen Maschinenstrom-Istwerten i_a, i_c ein dritter Maschinenstrom-Istwert i_b berechnet. Mit tels des Koordinatenwandlers 50 werden aus diesen drei Maschinenstrom-Istwerten i_a, i_b und i_c zwei orthogonale ständerorientierte Stromkomponenten i_α und i_β eines Maschinenstrom-Istraumzeigers i generiert.
Mittels des Vektordrehers 46 werden diese orthogonalen ständerorientierten Stromkomponenten i_α und i_β mit Hilfe des adaptierten geschätzten Polradwinkels φ ^ in polradorientierte Stromkomponenten î_d und î_q transformiert. Um Spannungsmesseinrichtungen einzusparen, werden die orthogonalen ständerorientierten Spannungskomponenten u_αRef und u_βRef eines generierten Maschinenspannungs-Sollraumzeigers u * / S der feldorientierten Regelung der 1 verwendet. Diese orthogonalen ständerorientierten Spannungskomponenten u_αRef und u_βRef werden ebenfalls in orthogonale polradorientierte Spannungskomponenten û_d und û_q gewandelt, wobei für die Koordinatendrehung der adaptiv geschätzte Polradwinkel φ ^ verwendet wird. Diese Vorrichtung 26 stellt einen Phasenregelkreis zur Polradwinkeladaption dar.
Der Regler 44, der ein proportional integral wirkendes Verhalten zweiter Ordnung aufweist, ist beispielsweise aus zwei Reglern 52 und 54 aufgebaut. Gemäß der 3 sind als Regler 52 ein proportional integral wirkender Regler erster Ordnung und als Regler 54 ein integral wirkender Regler vorgesehen. Ausgangsseitig ist der Regler 52 mit einem Eingang eines Addierers 56 verknüpft, an dessen zweitem Eingang der Polradwinkelgeschwindigkeits-Sollwert ω* ansteht. Ausgangsseitig ist dieser Addierer 56 mit einem Eingang des Reglers 54 und mit einem Ausgang dieser Reglerstruktur 44 verknüpft. Am Ausgang des Reglers 54 steht der adaptierte geschätzte Polradwinkel φ ^ an. Der Ausgang dieses Reglers 54 bildet den zweiten Ausgang dieser Reglerstruktur 44.
Die Recheneinrichtung 42 ist mittels eines nicht linearen Blocks dargestellt, da bei der Berechnung einer Stellgröße e' mit der ein geschätzter Polradwinkel φ ^ nachgeführt wird, eine nicht lineare Funktion verwendet wird. Diese Stellgröße e' am Ausgang der Recheneinrichtung 42 wird gemäß folgender Gleichung: e' = ûd – ω ^Ψ ^(îq, îd)berechnet. Darin ist Ψ ^ eine nicht lineare Funktion beider polradorientierter Stromkomponenten î_d und î_q. Mittels dieser Funktion wird der reale Querfluss Ψ_d der nicht linearen, permanenterregten Synchronmaschine 2 modellhaft nachgebildet. Diesen realen Querfluss Ψ_q würde man messen, wenn die nicht lineare permanenterregte Synchronmaschine 2 in beiden Achsen mit den polradorientierten Stromkomponenten i_d und i_q bestromt würde.
Eine mögliche Darstellung der Abhängigkeit des gemessenen Querflusses Ψ_q von den beiden Stromkomponenten i_d und i_q ist in der Kurvenschar des Diagramms gemäß 4 dargestellt. In diesem Diagramm ist der Querfluss Ψ_q über den Querstrom i_q mit dem Parameter Längsstrom i_d dargestellt. In diesem Diagramm sind drei Verläufe des Querflusses Ψ_q über den Querstrom i_q dargestellt, wobei der Längsstrom i_d drei unterschiedliche Werte aufweist. Eine derartige Kurvenschar kann in der Recheneinrichtung 42 hinterlegt sein, wodurch Rechenleistung eingespart werden kann.
Diese berechnete Stellgröße e' wird dem PI₂-Regler 44 zugeführt. Dieser PI₂-Regler 44 führt den geschätzten Polradwinkel φ ^ derart nach, dass die Stellgröße e' zu Null wird. Ist die Stellgröße e' gleich Null, so gibt der adaptierte geschätzte Polradwinkel φ ^ die Lage der Polradachse PA der umrichtergespeisten geberlosen, nicht linearen, permanenterregten Synchronmaschine 2 wieder. In der 5 ist in einem Diagramm die Stellgröße e' über eine Auslenkung Δ des Systems aus der Polradachse P_A bei einem Querstrom i_q = 0 und unterschiedlichen Längsströmen i_d dargestellt, wobei die Achsverkopplung in der Modellfunktion Ψ ^ vernachlässigt ist.
In der 6 ist in einem Diagramm über eine Auslenkung Δ des Systems aus der Polradachse P_A bei einem Querstrom i_q = 0 und unterschiedlichen Längsströmen i_d dargestellt, wobei die Achsverkopplung in der Modellfunktion Ψ ^ nicht vernachlässigt worden ist.
Wird die Achsverkopplung in der Modellfunktion Ψ ^ vernachlässigt, so entstehen gemäß dem Diagramm der 5 zwei Konvergenzpunkte P_K1 und P_K2 außerhalb der Polradachse P_A. In diesen Konvergenzpunkten P_K1 und P_K2 ist die Stellgröße e' jeweils Null, jedoch liegen diese Konvergenzpunkte P_K1 und P_K2 nicht auf der Polradadse P_A. Dadurch ist die Regelung des die geberlose, nicht lineare, permanenterregte Synchronmaschine 2 speisenden Umrichters fehlorientiert. Wird die Achsverkopplung in der Modellfunktion Ψ ^ berücksichtigt, so konvergiert das erfindungsgemäße Adaptionsverfahren eindeutig auf die Polradachse P_A, wie dies in dem Diagramm gemäß der 5 veranschaulicht ist.
Mit diesem erfindungsgemäßen Adaptionsverfahren eines geschätzten Polradwinkels φ ^ kann man nun auf einfache Art und Weise eine geberlose, nicht lineare, permanenterregte Synchronmaschine 2 im gesteuerten Betrieb unter beliebiger Last bis zum Kippmoment aus dem Stillstand anfahren, wobei mit dem adaptierten Polradwinkel φ ^ drehmomentstetig in einen vollständigen geregelten Betrieb gewechselt werden kann. Dazu wird der adaptierte Polradwinkel φ ^ der Recheneinrichtung 10 (Flussrechner) der feldorientierten Regelung der 1 zugeführt.
Gegenüber einem Verfahren mit Testsignal weist das erfindungsgemäße Verfahren einen geringeren Aufwand auf. Außerdem entstehen keine weiteren Geräusche und eine vorhandene magnetische Unsymmetrie einer permanenterregten Synchronmaschine muss keine Mindestanforderungen erfüllen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102007003874 A1 [0030]
- DE 102006004034 A1 [0032]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- ”IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRY APPLICATIONS”, Vol. 34, No. 4, July/August 1998, Seiten 784 bis 789 [0007]
- ”IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRY APPLICATIONS”, Vol. 31, No. 2, March/April 1995, Seiten 240 bis 247 [0008]
- ”IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL ELECTRONICS, Vol. 43, No. 4, August 1996, Seiten 505 bis 509 [0008]
- ”Proceedings PESC04 Conference”, Aachen, Juni 2004 [0013]

Claims

Verfahren zur Adaption eines geschätzten Polradwinkels (φ ^) einer stromrichtergespeisten, polradorientiert betriebenen, geberlosen, nicht linearen, permanenterregten Synchronmaschine (2) in einem gesteuerten Betrieb bei kleinen Polradwinkelgeschwindigkeiten (ω ^) mit folgenden Verfahrensschritten: a) Generierung von polradorientierten Ständerstromkomponenten (î_d, î_q) in Abhängigkeit zweier gemessener Ständerstrom-Istwerte (i_a und i_c) und des geschätzten Polradwinkels (φ ^), b) Generierung von polradorientierten Ständerspannungskomponenten (û_d, û_q) in Abhängigkeit von Spannungswerten (u_a, u_b, u_c) und des geschätzten Polradwinkels (φ ^), c) Berechnung einer Stellgröße (e') für eine gewünschte Polradwinkelgeschwindigkeit (ω ^) gemäß folgender Gleichung: e' = ûd – ω ^Ψ ^(îq, îd)und d) Nachführen des geschätzten Polradwinkels (φ ^) derart, dass die berechnete Stellgröße (e') zu Null wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für die nicht lineare Modellfunktion (Ψ ^) eines realen Querflusses (Ψ_q) der nicht linearen, permanenterregten Synchronmaschine (2) in der Gleichung für die Stellgröße (e') eine Kurvenschar hinterlegt ist.
Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ein Phasenregelkreis (26) zur Polradwinkeladaption ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass dieser Phasenregelkreis (26) eingangsseitig zwei Vektordreher (46, 48) und ausgangsseitig einen Regler (44) aufweist, dessen Ausgänge auf die Winkeleingänge der beiden Vektordreher (46, 48) und einen Eingang der Recheneinrichtung (42) zurückgeführt sind, dass dieser Regler (44) eingangsseitig mit einer Recheneinrichtung (42) verknüpft ist, wobei an einem weiteren Eingang dieses Reglers (44) ein Polradwinkelgeschwindigkeit-Sollwert (ω*) ansteht, und dass die Eingänge dieser Recheneinrichtung (42) mit Ausgängen der beiden Vektordreher (46, 48) verbunden sind.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Regler (44) ein proportional-integral wirkender Regler zweiter Ordnung ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinrichtung (42) eine Kurvenschar gemessener Querflüsse (Ψ_q) über Querströme (i_q) mit Parameter Längsströme (i_d) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Regler (44) einen proportional-integral wirkenden Regler (52) erster Ordnung und einen integral wirkenden Regler (54) aufweist, die mittels eines Addierers (56) signaltechnisch in Reihe geschaltet sind, wobei am zweiten Eingang dieses Addierers (56) der Polradgeschwindigkeits-Sollwert (ω*) ansteht.