DE102012012465A1

DE102012012465A1 - Synchronous machine and method for operating a synchronous machine

Info

Publication number: DE102012012465A1
Application number: DE201210012465
Authority: DE
Inventors: Johannes Schwarzkopf
Original assignee: Brose Fahrzeugteile SE and Co KG
Current assignee: Brose Fahrzeugteile SE and Co KG
Priority date: 2012-06-21
Filing date: 2012-06-21
Publication date: 2013-12-24
Also published as: WO2013189609A2; WO2013189609A3

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Synchronmotors (15) mit einem Stator und mit Phasenwicklungen (U, V, W) mit einer Ansteuereinrichtung (16) für die Phasenwicklungen einer Messeinrichtung (33) sowie einer Regeleinrichtung (17) zur Regelung der Ansteuereinrichtung (16), wobei für eine aufwands- und wirkungsoptimierte Regelung die Messeinrichtung (33) ausschließlich elektrische Größen an den Phasenwicklungen des Synchronmotors (15) und/oder in der Ansteuereinrichtung (16) erfasst, dass hieraus der Wert einer für den Lastwinkel zwischen Statorfeld und Rotor repräsentativen Größe oder der Wert des Lastwinkels ermittelt wird und dass ausschließlich aus der Abweichung der ermittelten Werte von einem Sollwert eine Stellgröße der Regeleinrichtung (17, 37) zur Annäherung des Lastwinkels an den Sollwert des Lastwinkels ermittelt wird.The invention relates to a method for operating a synchronous motor (15) having a stator and with phase windings (U, V, W) with a drive device (16) for the phase windings of a measuring device (33) and a control device (17) for controlling the drive device (15). 16), wherein for a cost and effect-optimized control, the measuring device (33) exclusively electrical quantities on the phase windings of the synchronous motor (15) and / or in the drive means (16) detects that from this the value of the load angle between the stator and rotor representative value or the value of the load angle is determined and that exclusively from the deviation of the determined values of a setpoint a manipulated variable of the control device (17, 37) is determined to approximate the load angle to the desired value of the load angle.

Description

Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Elektrotechnik und bezieht sich insbesondere auf Synchronmaschinen.The invention is in the field of electrical engineering and relates in particular to synchronous machines.

Derartige Synchronmaschinen können als rotierende elektrische Maschinen sowohl als Motor als auch als Generator betrieben werden. Entsprechende Synchronantriebe werden vielfältig in der Industrie als Maschinenantriebe, jedoch auch als Stellantriebe eingesetzt. Eine solche Synchronmaschine weist grundsätzlich einen Stator mit Statorwicklungen, sogenannte Phasenwicklungen auf, die im Bereich des Rotors ein magnetisches Drehfeld erzeugen. Eine entsprechende Ansteuerung der Phasenwicklungen bewirkt, dass das magnetische Feld rotiert. Ein im Drehfeld befindlicher Rotor mit magnetischen Polen, die entweder als Permanentmagnete oder elektrisch erregte Magnete ausgebildet sein können, dreht sich synchron mit der Drehzahl des durch den Stator erzeugten Drehfeldes.Such synchronous machines can be operated as rotating electrical machines both as a motor and as a generator. Corresponding synchronous drives are widely used in industry as machine drives, but also as actuators. Such a synchronous machine basically has a stator with stator windings, so-called phase windings, which generate a magnetic rotating field in the region of the rotor. A corresponding control of the phase windings causes the magnetic field to rotate. A rotor located in the rotating field with magnetic poles, which may be formed either as permanent magnets or electrically excited magnets, rotates synchronously with the rotational speed of the rotating field generated by the stator.

Die Ansteuerung der Phasenwicklungen des Stators erfolgt üblicherweise durch elektronisch angesteuerte Umrichterschaltungen, die mit Leistungshalbleitern gestaltet sind. Abhängig von der Belastung eines Antriebs eilt der Rotor dem Statordrehfeld mehr oder weniger nach und zwar um einen Winkel α, der als Polradwinkel oder Lastwinkel bezeichnet wird. Wird die Last zu groß, so vergrößert sich der Lastwinkel bis über einen Kippwinkel hinaus, bei dem der Antrieb stehen bleibt.The control of the phase windings of the stator is usually carried out by electronically controlled converter circuits, which are designed with power semiconductors. Depending on the load of a drive, the rotor lags the stator rotary field more or less by an angle α, which is referred to as Polradwinkel or load angle. If the load is too large, the load angle increases beyond a tilt angle, at which the drive stops.

Übliche Steuerungen für Synchronantriebe sehen vor, dass die absolute Position des Rotors (Winkelposition) durch gesonderte Sensoren (beispielsweise Hallsensoren oder andere magnetische Sensoren) oder durch Auswertung der in der Statorwicklung induzierten Spannung (EMK) ermittelt wird. Eine Regelung der Maschine stellt dann beispielsweise Spannungen oder Stromstärken an den Phasenwicklungen derart ein, dass ein Sollverhalten, insbesondere eine zeitabhängige Sollposition, der Synchronmaschine erreicht wird.Conventional controls for synchronous drives provide that the absolute position of the rotor (angular position) is determined by separate sensors (for example Hall sensors or other magnetic sensors) or by evaluation of the induced voltage in the stator winding (EMF). A control of the machine then adjusts, for example, voltages or current intensities at the phase windings in such a way that a desired behavior, in particular a time-dependent desired position, of the synchronous machine is achieved.

Ein Nachteil derartiger Verfahren ist einerseits, dass die Ermittlung der absoluten Position des Rotors entsprechende Sensoren und Hardwareaufwand sowie eine gewisse Rechenleistung in der Regeleinrichtung erfordert. Auch die indirekte Ermittlung der absoluten Position des Rotors über elektrische Größen erfordert Rechenleistung. Andererseits ist die Ermittlung der absoluten Rotorposition auch zeitaufwendig, so dass eine Reaktion der Regelung bei Laständerung oft nicht mit der gewünschten Geschwindigkeit erfolgen kann. Zudem ist besonders bei der Ermittlung der Rotorposition über elektrische Größen oft eine entsprechende Gestaltung der Kommutierung in der Ansteuerung der Phasenwicklungen notwendig, so dass weitere Randbedingungen für die Ansteuerung entstehen, die die Regelung erschweren.On the one hand, a disadvantage of such methods is that the determination of the absolute position of the rotor requires corresponding sensors and hardware expenditure as well as a certain amount of computing power in the control device. The indirect determination of the absolute position of the rotor via electrical variables also requires computing power. On the other hand, the determination of the absolute rotor position is also time-consuming, so that a reaction of the control can not often take place at the desired speed when changing the load. In addition, especially in the determination of the rotor position via electrical variables often a corresponding design of the commutation in the control of the phase windings is necessary, so that further boundary conditions for the control arise, which complicate the scheme.

Typische Probleme, die bei derartigen Regelverfahren entstehen, sind akustische Anregungen und langsame Reaktion der Regelung bei Laständerungen sowie gegebenenfalls auch Schwingungsverhalten der geregelten Größe, beispielsweise der Rotorgeschwindigkeit, wodurch beispielsweise Schwingungen des Lastwinkels bis hin zum Erreichen des Kippwinkels entstehen können.Typical problems that arise with such control methods are acoustic suggestions and slow reaction of the control under load changes and possibly also vibration behavior of the controlled variable, for example, the rotor speed, which, for example, vibrations of the load angle can be caused up to reaching the tilt angle.

Der vorliegenden Erfindung liegt vor dem Hintergrund des Standes der Technik die Aufgabe zugrunde, ein stabiles Verfahren zum Betrieb einer Synchronmaschine zu schaffen, das eine möglichst einfache und effektive Regelung auch bei Laständerungen erlaubt und dabei mit einer möglichst unaufwändigen Regeleinrichtung auskommt. Des Weiteren soll eine danach arbeitende Synchronmaschine, insbesondere ein danach arbeitender Synchronmotor angegeben werden.The present invention is based on the background of the prior art, the object to provide a stable method for operating a synchronous machine, which allows the simplest and most effective control even with load changes, and manages with the least expensive control device. Furthermore, a synchronous machine operating thereafter, in particular a synchronous motor operating thereafter, should be specified.

Bezüglich des Verfahrens wird die genannte Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmalen des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Weitebildungen sind Gegenstand der hierauf rückbezogenen Unteransprüche. Bezüglich der Synchronmaschine wird die genannte Aufgabe erfindungsgemäß gelöst mit den Merkmalen des Patentanspruchs 12. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der hierauf rückbezogenen Unteransprüche.With regard to the method, the object is achieved according to the invention by the features of claim 1. Advantageous Weitebildungen are the subject of the dependent thereupon dependent claims. With regard to the synchronous machine, the stated object is achieved according to the invention by the features of patent claim 12. Advantageous embodiments are the subject matter of the subclaims referenced hereto.

Dabei wird vorausgesetzt, dass die Synchronmaschine, insbesondere der Synchronmotor, einen Stator mit Phasenwicklungen sowie eine Ansteuereinrichtung für die Phasenwicklungen, eine Messeinrichtung und eine Regeleinrichtung zur Regelung der Ansteuereinrichtung aufweist.It is assumed that the synchronous machine, in particular the synchronous motor, a stator with phase windings and a drive means for the phase windings, a measuring device and a control device for controlling the control device has.

Gemäß der Erfindung ist zudem vorgesehen, dass die Messeinrichtung ausschließlich elektrische Größen an den Phasenwicklungen des Synchronmotors und/oder in der Ansteuereinrichtung erfasst, dass hieraus der Wert einer für den Lastwinkel zwischen Statorfeld und Rotor repräsentativen Größe oder der Wert des Lastwinkels ermittelt wird, und dass ausschließlich aus der Abweichung der ermittelten Werte von einem Sollwert eine Stellgröße der Regeleinrichtung zur Annäherung des Lastwinkels an den Sollwert des Lastwinkels ermittelt wird.According to the invention, it is additionally provided that the measuring device detects only electrical variables on the phase windings of the synchronous motor and / or in the control device, that the value of a variable representative of the load angle between the stator field and the rotor or the value of the load angle is determined therefrom, and is determined exclusively from the deviation of the determined values of a target value, a manipulated variable of the control device for approximating the load angle to the target value of the load angle.

Dabei sind üblicherweise wenigstens zwei oder drei Phasenwicklungen zur Erzeugung des Drehfeldes vorgesehen, die über die Ansteuereinrichtung mit Strom versorgt werden. Beispielsweise erzeugt die Ansteuereinrichtung dabei aus elektronischen Steuersignalen für die einzelnen Phasenwicklungen zeitabhängige Spannungen in Form von pulsweitenmodulierten Signalen. Dazu werden entsprechende Spannungen an die Phasenwicklungen angelegt. Die Spannungen werden der Pulsweitenmodulation üblicherweise von einem elektrischen Zwischenkreis zugeführt, der Teil einer Halbleiterbrückenschaltung mit steuerbaren Halbleiterschaltern, beispielsweise Transistoren, Feldeffekttransistoren oder IGBTs ist. Über die Pulsweitenmodulation werden dann die Sollspannung und die Stromstärke an den Phasenwicklungen eingestellt.In this case, usually at least two or three phase windings are provided for generating the rotary field, which are supplied via the drive means with power. For example, the control device thereby generates time-dependent voltages in the form of electronic control signals for the individual phase windings of pulse width modulated signals. For this purpose, appropriate voltages are applied to the phase windings. The voltages are usually supplied to the pulse width modulation by an electrical intermediate circuit, which is part of a semiconductor bridge circuit with controllable semiconductor switches, for example transistors, field-effect transistors or IGBTs. The desired voltage and the current intensity at the phase windings are then set via the pulse width modulation.

Die Messeinrichtung kann beispielsweise den Spannungsabfall an den Phasenwicklungen messen und dabei beispielsweise auch die durch den Rotor in der Statorwicklung erzeugte induzierte Spannung erfassen, die zeitlich ins Verhältnis zu den Ansteuerspannungen der Phasenwicklungen gesetzt werden kann. Hierdurch kann bereits ein Lastwinkel bestimmt werden, ohne dass unmittelbar eine Rotorposition bestimmt wird. Es kann auch als eine für den Lastwinkel zwischen Statorfeld und Rotor repräsentative Größe zu einem bestimmten Zeitpunkt, der durch die Statorfeldperiodizität bestimmt ist, die bei Erreichen des optimalen Lastwinkels zu diesem Zeitpunkt erwartete induzierte Spannung mit der zu diesem Zeitpunkt tatsächlich induzierten Spannung verglichen und der Differenzwert der weiteren Regelung zu Grunde gelegt werden, bis dieser Differenzwert auf Null heruntergeregelt worden ist. Bei Verschwinden der Differenz ist dann der optimierte Lastwinkel erreicht.The measuring device can measure, for example, the voltage drop across the phase windings and, for example, also detect the induced voltage generated by the rotor in the stator winding, which can be set in relation to the drive voltages of the phase windings. As a result, a load angle can already be determined without directly determining a rotor position. It may also be compared to a value representative of the load angle between the stator field and the rotor at a particular time determined by the stator field periodicity, the induced voltage expected upon reaching the optimum load angle at that time with the voltage actually induced at that time, and the difference value the further regulation until this difference value has been reduced to zero. When the difference disappears, the optimized load angle is reached.

Die gemessenen Werte der Messgröße(n) können allerdings auch zusätzlich und unabhängig von dem Regelmechanismus in eine Rotorposition umgerechnet werden und damit ebenfalls Aufschluss über den Lastwinkel geben. Dieser Rechenvorgang kann, da er keine für die Regelung benötigte Größe liefert, mit geringer Geschwindigkeit und geringem Rechenaufwand durchgeführt werden. Die Messeinrichtung kann auch die Stromstärke und damit die Last des Antriebs oder eine Kombination aus Strom und Spannung an den einzelnen Phasenwicklungen erfassen.However, the measured values of the measured variable (s) can also be converted into a rotor position additionally and independently of the control mechanism and thus also provide information about the load angle. This calculation process can be carried out at low speed and with little computation because it does not provide any size needed for the control. The measuring device can also detect the current intensity and thus the load of the drive or a combination of current and voltage at the individual phase windings.

Durch den Vergleich der durch die Messeinrichtung erfassten Werte mit den durch die Ansteuereinrichtung eingespeisten Signalen kann die Rückwirkung der Synchronmaschine auf die Ansteuereinrichtung und daraus unter anderem der Lastwinkel und gegebenenfalls die absolute Last ermittelt werden. Diese Rückwirkung dient als Grundlage zur Ermittlung der Regelabweichung, d. h. der Differenz zwischen einer Ist-Größe und einer Soll-Größe sowie der Ermittlung der Stellgröße der Regeleinrichtung, um eine Annäherung an den Sollwert der Führungsgröße (den optimalen Lastwinkel) zu bewirken.By comparing the values detected by the measuring device with the signals fed in by the control device, the reaction of the synchronous machine to the control device and, therefrom, the load angle and possibly the absolute load can be determined therefrom. This feedback serves as the basis for determining the control deviation, ie. H. the difference between an actual size and a desired size and the determination of the manipulated variable of the control device in order to bring about an approximation to the desired value of the reference variable (the optimal load angle).

Die Regelung kann zum Erreichen des Sollwertes beispielsweise als Stellgröße die Spannung, beispielsweise die Spannungsamplitude, an den Phasenwicklungen und/oder den Strom, beispielsweise die Stromamplitude des Stroms, durch die Phasenwicklungen steuern oder beeinflussen, wobei eine Erhöhung der Statorfeldstärke üblicherweise zu einer Verringerung des Lastwinkels führt. Der optimale Lastwinkel bestimmt den optimalen Wirkungsgrad der Synchronmaschine und hängt beispielsweise vom Reluktanzmoment der Maschine ab.For example, the control can control or influence the voltage, for example the voltage amplitude, at the phase windings and / or the current, for example the current amplitude of the current, through the phase windings to achieve the desired value, wherein an increase of the stator field strength usually leads to a reduction of the load angle leads. The optimum load angle determines the optimum efficiency of the synchronous machine and depends, for example, on the reluctance torque of the machine.

In den beschriebenen Fällen ist jedenfalls eine direkte Messung der Position des Rotors mit dem entsprechenden Hardware- und Rechenaufwand vermeidbar und die Regeleinrichtung kommt mit der Ermittlung des Lastwinkels oder einer für diesen repräsentativen elektrischen Größe zur Optimierung des Wirkungsgrades aus. Es kann dabei vorteilhaft vorgesehen sein, dass eine Drehzahl und/oder eine zeitabhängige Sollposition des Rotors der Synchronmaschine vorgegeben ist.In any case, a direct measurement of the position of the rotor with the corresponding hardware and computational effort can be avoided in the cases described, and the control device makes do with determining the load angle or an electrical variable representative of this for optimizing the efficiency. It can be advantageously provided that a speed and / or a time-dependent desired position of the rotor of the synchronous machine is predetermined.

Beim Konzept der Erfindung wird grundsätzlich davon ausgegangen, dass die Drehzahl der Synchronmaschine als ein Sollwert vorgegeben ist und diese durch die Regeleinrichtung vorteilhaft primär nicht beeinflusst wird, sondern dass die Regeleinrichtung lediglich Phasenspannungen und Phasenspannungsamplituden beeinflusst. Lediglich eine mit der Regeleinrichtung zusammenwirkende Dämpfungseinrichtung, die weiter unten noch näher erläutert wird, kann dafür vorgesehen sein, auch die Drehzahl oder die Frequenz des Statorfeldes zumindest kurzfristig und vorübergehend zu beeinflussen.In the concept of the invention, it is generally assumed that the speed of the synchronous machine is predetermined as a desired value and that this is advantageously not primarily influenced by the control device, but rather that the control device influences only phase voltages and phase voltage amplitudes. Only one cooperating with the control device damping device, which will be explained in more detail below, can be provided to affect the speed or the frequency of the stator field, at least temporarily and temporarily.

Der Rotor folgt grundsätzlich dem Statorfeld und hält auch dessen Drehzahl ein, solange der kritische Kippwinkel zwischen Statorfeld und Rotorposition nicht erreicht wird, so dass die Regelung auf die Optimierung des Lastwinkels konzentriert oder beschränkt werden kann. Die eigentliche Rotorposition oder -drehzahl muss weder konkret ermittelt, noch geregelt werden.The rotor basically follows the stator field and also keeps its speed, as long as the critical tilt angle between the stator and rotor position is not reached, so that the control can be concentrated or limited to the optimization of the load angle. The actual rotor position or speed need neither be determined nor regulated.

Vorteilhaft kann bei der Regelung die Stellgröße der Regeleinrichtung die Spannungsamplitude und/oder eine Stromstärkenamplitude in wenigstens einer Phasenwicklung oder in zwei oder drei Phasenwicklungen sein. Mit der Spannungsamplitude ist der Maximalwert der Spannung gemeint, der durch Sinus- und Cosinusfunktionen oder auch konkret durch eine Pulsweitenmodulation zur Ansteuerung einer Phasenwicklung moduliert wird. Damit muss zur Regelung lediglich eine Größe angepasst werden, die beim Betrieb der Ansteuereinrichtung zeitlich grundsätzlich konstant ist. Die Stromstärken- bzw. Spannungsamplitude werden in der Ansteuereinrichtung als konstanter Wert der Modulation durch eine periodische Funktion, beispielsweise eine Sinusfunktion oder eine Pulsweitenmodulation zugrunde gelegt.Advantageously, in the control, the manipulated variable of the control device, the voltage amplitude and / or a current amplitude in at least one phase winding or in two or three phase windings. By the voltage amplitude is meant the maximum value of the voltage, which is modulated by sine and cosine functions or also concretely by a pulse width modulation for driving a phase winding. Thus, only one size must be adjusted for control, which is basically constant in time during operation of the control device. The current intensity or voltage amplitude are used in the control device as a constant value of the modulation by a periodic function, for example, a sine function or a pulse width modulation basis.

Als Stellgröße kann vorteilhaft auch ein bestimmtes Zeitverhalten der Ansteuerspannung einer Phasenwicklung (U, V, W), beispielsweise ein Tastverhältnis einer Pulsweitenmodulation, für eine begrenzte Wirkzeit dienen. Beispielsweise kann bei einem Lastwechsel an der Synchronmaschine eine Verlängerung der Periodendauer bei der Ansteuerung einer oder mehrerer Phasenwicklungen für eine halbe oder ganze Periode oder wenige Perioden des Drehstromfeldes der Synchronmaschine vorgesehen sein, um beispielsweise einen plötzlich vergrößerten Lastwinkel durch einen Zeitversatz des Drehstromfeldes dauerhaft oder vorübergehend zu verringern. As a manipulated variable can also be advantageous for a specific time behavior of the drive voltage of a phase winding (U, V, W), for example, a duty cycle of a pulse width modulation, serve for a limited time of action. For example, may be provided during a load change on the synchronous machine, an extension of the period in the control of one or more phase windings for half or whole period or a few periods of the three-phase field of the synchronous machine, for example, a sudden increase in load angle by a time offset of the three-phase field permanently or temporarily reduce.

Grundsätzlich kann auch vorgesehen sein, dass die Stellgröße eine Frequenz der Ansteuerung der Phasenwicklungen, also des Drehstromfeldes ist. Dies kann dazu führen, dass bei einem Lastwechsel die Drehgeschwindigkeit des Drehfeldes zeitweise an die veränderte Last angepasst wird. Beispielsweise kann bei einer vergrößerten Last vorübergehend die Frequenz bei der Ansteuerung der Phasenwicklungen gesenkt und damit die Drehzahl des Drehfeldes und des Rotors gesenkt werden. Dies kann für eine so kurze Wirkzeit realisiert werden, dass faktisch nur eine oder wenige Schwingungsperioden des Drehfeldes verlängert sind.In principle, it can also be provided that the manipulated variable is a frequency of the control of the phase windings, ie of the three-phase current field. This can lead to the rotational speed of the rotating field being temporarily adapted to the changed load during a load change. For example, with an increased load, the frequency during the control of the phase windings can be temporarily reduced and thus the rotational speed of the rotating field and of the rotor can be lowered. This can be realized for such a short action time that in fact only one or a few oscillation periods of the rotating field are prolonged.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass das zeitliche Verhalten der Regelabweichung ermittelt und durch eine Dämpfungseinrichtung die Änderungsgeschwindigkeit der Stellgröße gezielt verringert wird, um die Änderung der Regelabweichung zu dämpfen.A further advantageous embodiment of the method according to the invention provides that the temporal behavior of the control deviation is determined and the rate of change of the manipulated variable is deliberately reduced by a damping device in order to dampen the change in the control deviation.

Es ist grundsätzlich bekannt, dass eine zu stark und/oder zu schnell eingreifende Regelung bei Auftreten einer Regelabweichung zum Aufschwingen der Regelabweichung führen kann. Wird beispielsweise bei einer sprunghaft vergrößerten Last der Lastwinkel entsprechend vergrößert, so kann die Regelung durch eine Erhöhung der Spannung und/oder der Stromstärke in den Phasenwicklungen eine ebenso sprunghafte Verringerung des Lastwinkels bewirken, so dass der Lastwinkel stark um den Sollwert schwingen kann. Solche Schwingungen können beispielsweise durch in der Literatur bekannte Masse-Federmodelle des Polradwinkels/Lastwinkels beschrieben werden und im Extremfall zum Erreichen des Kippwinkels führen, bei dem die Synchronmaschine nicht mehr funktioniert. Aus diesem Grund kann erfindungsgemäß eine Dämpfung der Regelung durch die Regeleinrichtung vorgesehen werden, die in elektronsicher Weise realisiert wird.It is fundamentally known that an overly strong and / or too fast intervention in the event of a control deviation can cause the control deviation to oscillate. If, for example, the load angle is correspondingly increased in the case of a suddenly increased load, the control can bring about an equally abrupt reduction of the load angle by increasing the voltage and / or the current in the phase windings, so that the load angle can swing strongly around the setpoint value. Such oscillations can be described for example by known in the literature mass-spring models of the Polradwinkels / load angle and in extreme cases lead to the achievement of the tilt angle at which the synchronous machine stops working. For this reason, an attenuation of the control by the control device can be provided according to the invention, which is realized in an electronic manner.

Grundsätzlich ist auch alternativ oder zusätzlich zu der elektronischen Dämpfung die Realisierung einer solchen Dämpfung durch einen sogenannten Dämpferkäfig im Rotor möglich, wobei der Dämpferkäfig durch im Rotor induzierte Ströme magnetische Felder erzeugt, die Pendelungen dämpfen und das System gegenüber raschen Änderungen stabilisieren.Basically, alternatively or in addition to the electronic damping, the realization of such a damping by a so-called damper cage in the rotor possible, the damper cage generated by induced currents in the rotor magnetic fields that dampen oscillations and stabilize the system against rapid changes.

Eine elektronische Dämpfung kann jedoch gezielter und damit optimiert reagieren. Es wird daher gemäß der vorliegenden Erfindung als vorteilhaft angesehen, solche Dämpfungen zumindest zusätzlich in elektronischer Weise zu realisieren, indem beispielsweise die Stellgröße der Regeleinrichtung nicht sprunghaft, sondern allmählich und zeitlich verzögert angepasst wird. Alternativ kann die Änderungsgeschwindigkeit der Regelabweichung durch das Messsystem erfasst und die Stellgröße derart verändert werden, dass die Änderungsgeschwindigkeit der Regelabweichung begrenzt wird. Die Dämpfungseinrichtung kann auch den durch die Regeleinrichtung erzeugten elektrischen Signalen an den Phasenwicklungen selbst eigene Signale überlagern und somit die Wirkung der Regeleinrichtung modulieren.However, electronic damping can react in a more targeted and optimized way. It is therefore considered advantageous according to the present invention, at least in addition to realize such attenuation in an electronic manner, for example by the control variable of the control device is not abruptly, but gradually and temporally delayed adjusted. Alternatively, the rate of change of the control deviation can be detected by the measuring system and the manipulated variable can be changed in such a way that the rate of change of the control deviation is limited. The damping device can also superimpose its own signals to the electrical signals generated by the control device at the phase windings and thus to modulate the effect of the control device.

Vorteilhaft kann die Erfindung dadurch ausgestaltet werden, dass zur Ansteuerung einer Dämpfungseinrichtung Spannungswerte an den Phasenwicklungen und/oder Phasenströme der Synchronmaschine gemessen und hieraus Pendelungen ermittelt werden. Da Pendelungen des Rotors durch die Rückwirkung auf das Statorfeld auch auf die Ströme in den Statorwicklungen und die Spannungen an den Statorwicklungen zurückwirken, kann ein konkreter Schwingungszustand durch Analyse der Phasenströme und/oder der Spannungen ermittelt werden.Advantageously, the invention can be configured by measuring voltage values on the phase windings and / or phase currents of the synchronous machine for controlling a damping device and determining oscillations therefrom. Since oscillations of the rotor due to the effect on the stator field also act on the currents in the stator windings and the voltages on the stator windings, a concrete oscillation state can be determined by analyzing the phase currents and / or the voltages.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung kann vorsehen, dass zur Ansteuerung einer Dämpfungseinrichtung eine in den Phasenwicklungen durch die Rotorbewegung induzierte Spannung erfasst wird und hieraus Pendelungen ermittelt werden. Da eine der gewollten Rotorbewegung überlagerte Zusatzschwingung die Relativbewegung von Rotor und Statorfeld beeinflusst, sind hiervon auch die durch die Relativgeschwindigkeit bestimmten, im Stator induzierten Spannungen beeinflusst. Daher lässt sich der Schwingungszustand durch Analyse der induzierten Spannungen ermitteln.A further advantageous embodiment of the invention can provide that for controlling a damping device, a voltage induced in the phase windings by the rotor movement voltage is detected and from this commutations are determined. Since an additional oscillation superimposed on the desired rotor movement influences the relative movement of the rotor and stator field, the voltages induced in the stator and determined by the relative velocity are also influenced by this. Therefore, the vibration state can be determined by analyzing the induced voltages.

Es kann außerdem vorteilhaft vorgesehen sein, dass zur Dämpfung einer Rotorpendelung durch eine Dämpfungseinrichtung die Amplitude und/oder die Phasenlage der Ansteuerspannung beeinflusst wird.It can also be advantageously provided that for damping a rotor oscillation by a damping device, the amplitude and / or the phase position of the drive voltage is influenced.

Zudem kann bei der Erfindung vorgesehen sein, dass zur Dämpfung einer Rotorpendelung durch eine Dämpfungseinrichtung eine zeitabhängige Spannung am Umrichter der durch die Regeleinrichtung erzeugten Kommutierungsspannung überlagert wird.In addition, it can be provided in the invention that for damping a rotor oscillation by a damping device, a time-dependent voltage at the converter of the commutation voltage generated by the control device is superimposed.

Die Erfindung bezieht sich außer auf ein Verfahren zum Betrieb einer Synchronmaschine auch auf die Ausgestaltung einer Synchronmaschine/eines Synchronmotors. Es ist dabei eine Synchronmaschine vorgesehen, die einen Stator mit Phasenwicklungen und einen Rotor sowie eine Ansteuereinrichtung für die Phasenwicklungen und eine Messeinrichtung sowie eine Regeleinrichtung zur Regelung der Ansteuereinrichtung aufweist. Die Erfindung sieht dabei vor, dass die Messeinrichtung ausschließlich elektrische Messgrößen an wenigstens einer Phasenwicklung und/oder an der Ansteuereinrichtung erfasst und verarbeitet, dass die Regeleinrichtung eine für den Lastwinkel zwischen Statorfeld und Rotor repräsentative Größe oder den Lastwinkel und eine Stellgröße, insbesondere eine Spannungsamplitude zur Ansteuerung der Phasenwicklungen zur Annäherung des Lastwinkels an den Sollwert des Lastwinkels ermittelt. The invention relates not only to a method for operating a synchronous machine on the design of a synchronous machine / a synchronous motor. In this case, a synchronous machine is provided which has a stator with phase windings and a rotor as well as a drive device for the phase windings and a measuring device as well as a control device for regulating the drive device. The invention provides that the measuring device detects and processes exclusively electrical measured variables on at least one phase winding and / or on the control device, that the control device a representative of the load angle between the stator and rotor size or the load angle and a manipulated variable, in particular a voltage amplitude for Control of the phase windings to approximate the load angle to the target value of the load angle determined.

Der Regeleinrichtung werden somit keine Messwerte beispielsweise von einer weiteren Messeinrichtung zugeführt, die die Position des Rotors direkt über Hardwaresensoren misst. Als Führungsgröße für die Regeleinrichtung dienen somit ausschließlich Größen, die für den Lastwinkel repräsentativ sind oder unmittelbar die Größe des Lastwinkels ausdrücken, und die aus elektrischen Messungen an einer, zwei, drei oder mehr Phasenwicklungen und/oder an der Ansteuerrichtung ermittelt werden.The control device is thus supplied with no measured values, for example, from a further measuring device which measures the position of the rotor directly via hardware sensors. As a reference variable for the control device thus serve only sizes that are representative of the load angle or directly express the size of the load angle, and are determined from electrical measurements on one, two, three or more phase windings and / or on the drive direction.

Die Messeinrichtung kann beispielsweise durch eine Ermittlung der Spannungsabfälle an einer, zwei oder drei Phasenwicklungen oder der maximalen Stromstärken oder Stromstärkenverläufe und einer, zwei oder drei Phasenwicklungen die Last an der Synchronmaschine sowie die durch die Rotorbewegung induzierten Spannungen bestimmen und hieraus den Lastwinkel ermitteln. Es kann somit aus dem Verhältnis zwischen den an den einzelnen Phasen anliegenden Spannungen und den Lastströmen oder aus dem zeitlichen Verhalten von Strömen und Spannungen der Lastwinkel ermittelt werden. Als Führungsgröße für die Regeleinrichtung kann dann entweder eine Spannung an einer Phasenwicklung, eine Stromstärkenamplitude oder eine punktuell zu einem bestimmten Zeitpunkt der Ansteuerperiode erreichte Spannung oder Stromstärke dienen, die für den Lastwinkel/Polradwinkel charakteristisch sind. Somit kann die Synchronmaschine in besonders einfacher und unaufwändiger Weise geregelt werden, wobei besonders schnell auch mit geringer Rechenleistung der Regeleinrichtung effizient auf Lastwechsel reagiert werden kann.By way of example, the measuring device can determine the load on the synchronous machine and the voltages induced by the rotor movement by determining the voltage drops at one, two or three phase windings or the maximum current or current intensity profiles and one, two or three phase windings, and from this determine the load angle. It can thus be determined from the relationship between the voltage applied to the individual phases and the load currents or from the temporal behavior of currents and voltages of the load angle. As a reference variable for the control device can then serve either a voltage at a phase winding, an amperage amplitude or a point at a certain time of the Ansteuerperiode reached voltage or current characteristic of the load angle / Polradwinkel. Thus, the synchronous machine can be controlled in a particularly simple and inexpensive manner, which can be responded particularly quickly even with low computing power of the control device efficiently to load changes.

Die Messeinrichtung kann beispielsweise auch eine Einrichtung zur Messung der Stromstärke oder einer Spannung an einer Stromquelle der Ansteuereinrichtung und/oder an einem elektrischen Zwischenkreis aufweisen.By way of example, the measuring device can also have a device for measuring the current intensity or a voltage at a current source of the drive device and / or at an electrical intermediate circuit.

Das tatsächliche Verhalten der Synchronmaschine wirkt auch auf diese genannten Größen zurück, so dass auch aus deren Verhalten die Last oder der Lastwinkel der Synchronmaschine und hieraus eine Stellgröße für die Regeleinrichtung ermittelt werden kann.The actual behavior of the synchronous machine also has an effect on these variables, so that the load or the load angle of the synchronous machine and, therefrom, a manipulated variable for the control device can also be determined from their behavior.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht zudem vor, dass eine elektrische Dämpfungseinrichtung für die Stellgröße des Reglers entweder in die Regeleinrichtung integriert oder dieser nachgeschaltet ist. Das bedeutet beispielsweise, dass bei einer Integration der Dämpfungseinrichtung in die Regeleinrichtung die Dämpfungseinrichtung Einfluss auf das Regelverhalten der Regeleinrichtung nimmt, um ein Aufschaukeln eines Pendelverhaltens zu verhindern. Die Dämpfungseinrichtung kann allerdings auch auf die durch die Regeleinrichtung erzeugten und ausgegebenen Stellgrößen Einfluss nehmen oder diesen eigene Signale, beispielsweise eine Modulation am Eingang der Ansteuereinrichtung oder am Umrichter oder eigene Spannungssignale direkt an einer oder mehreren Phasenwicklungen überlagern.An advantageous embodiment of the invention also provides that an electrical damping device for the manipulated variable of the controller either integrated into the control device or this is connected downstream. This means, for example, that with an integration of the damping device in the control device, the damping device influences the control behavior of the control device to prevent a rocking of a pendulum behavior. However, the damping device can also influence the control variables generated and output by the control variables or superimpose their own signals, such as a modulation at the input of the control device or the inverter or its own voltage signals directly to one or more phase windings.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:Embodiments of the invention will be explained in more detail with reference to a drawing. Show:

1 schematisch die Phasenwicklungen eines Elektroantriebs in Sternschaltung, 1 schematically the phase windings of a star-connected electric drive,

2 eine Brückenschaltung zur Ansteuerung jeweils einer Phasenwicklung eines Antriebs, 2 a bridge circuit for driving in each case a phase winding of a drive,

3 ein Ersatzschaltbild für eine Spannungsversorgung einer Phase, 3 an equivalent circuit diagram for a voltage supply of a phase,

4 ein schematisiertes Ersatzschaltbild für einen Elektroantrieb in Dreiecksschaltung, 4 a schematic equivalent circuit diagram for an electric drive in delta connection,

5 eine Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens, 5 a device for carrying out the operating method according to the invention,

6 eine weitere Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens, bei der die Dämpfungseinrichtung direkt die Ausgangssignale der Regeleinrichtung moduliert, und 6 a further device for carrying out the operating method according to the invention, in which the damping device directly modulates the output signals of the control device, and

7 eine Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens, bei der die Dämpfungseinrichtung nur auf die Phasenlage und die Regeleinrichtung nur auf die Amplituden der Ansteuerspannungen der Phasenwicklungen wirkt. 7 a device for carrying out the operating method according to the invention, in which the damping device acts only on the phase position and the control device only to the amplitudes of the drive voltages of the phase windings.

1 zeigt schematisch eine Sternschaltung von drei Phasenwicklungen U, V, W, wobei der Sternpunkt 1 den Verbindungsanschluss zwischen jeweils zwei Phasenwicklungen U, V, W bildet. Die einzelnen Phasenwicklungen sind in Form eines Ersatzschaltbildes gezeigt mit jeweils einer Induktivität 2, einem ohmschen Widerstand 3 und einem Spannungsabfall, der durch eine durch die Bewegung des Rotors induzierte Spannung (EMK, EMF) erzeugt wird und durch den Kreis 4 repräsentiert ist. Wenn eine der drei Phasenwicklungen als stromlos angenommen wird, so ergibt sich jeweils eine Reihenschaltung der beiden übrigen Phasenwicklungen, die jeweils am Sternpunkt 1 verbunden sind. 1 schematically shows a star connection of three phase windings U, V, W, where the star point 1 forms the connection terminal between each two phase windings U, V, W. The individual phase windings are in the form of a Equivalent circuit shown with one inductor each 2 , an ohmic resistance 3 and a voltage drop generated by a voltage induced by the movement of the rotor (EMF, EMF) and through the circuit 4 is represented. If one of the three phase windings is assumed to be currentless, the result is a series connection of the two remaining phase windings, each at the neutral point 1 are connected.

Die jeweils über einer Phasenwicklung U, V, W abfallende Spannung ist durch die Pfeile 20, 21, 22 repräsentiert und ergibt sich jeweils als Summe der Spannungsabfälle über Induktivität und ohmschem Widerstand und induzierter Spannung.The respective voltage drop across a phase winding U, V, W is indicated by the arrows 20 . 21 . 22 represents and results in each case as the sum of the voltage drops via inductance and ohmic resistance and induced voltage.

Die Ansteuerung eines derartigen in Sternschaltung betriebenen bürstenlosen Elektroantriebs kann beispielsweise über eine sogenannte B6-Schaltung erfolgen, bei der an jede der Phasenwicklungen wahlweise ein höheres Gleichspannungsniveau oder ein niedrigeres Gleichspannungsniveau eines Zwischenkreises 5 bis 11, insbesondere Erdpotential, angelegt werden kann. Damit ist ein solcher Elektroantrieb bezüglich der Drehzahl, der Leistung und der Drehrichtung steuerbar.The control of such a star-connected brushless electric drive can be done for example via a so-called B6 circuit in which each of the phase windings optionally a higher DC voltage level or a lower DC voltage level of a DC link 5 to 11 , in particular earth potential, can be created. Thus, such an electric drive with respect to the speed, the power and the direction of rotation can be controlled.

Beispielhaft ist eine Anordnung aus zwei Schaltern für die Phase W in der 1 dargestellt, wobei mit 5 der Erdpotentialanschluss und mit 6 ein höheres Gleichspannungspotential des Zwischenkreises 5 bis 11 bezeichnet ist. Über die Schalter 7, 8 kann der erste Anschluss 9 der Phasenwicklung W entweder mit dem höheren Gleichspannungspotential oder mit Erdpotential verbunden werden. Wird der Schalter 7 geschlossen und der Schalter 8 geöffnet, so ist der Anschluss 9 mit dem höheren Spannungspotential verbunden. Ist der Anschluss 7 geöffnet und der Anschluss 8 geschlossen, so wird der erste Anschluss 9 der Phasenwicklung W mit dem Erdpotential verbunden. Je nach der Schaltstellung der einzelnen Schalter kann somit die Phasenwicklung mit zwei verschiedenen Spannungsniveaus beaufschlagt werden.An example is an arrangement of two switches for the phase W in the 1 shown, with 5 the ground potential connection and with 6 a higher DC potential of the DC link 5 to 11 is designated. About the switches 7 . 8th may be the first connection 9 the phase winding W are connected either to the higher DC potential or to ground potential. Will the switch 7 closed and the switch 8th opened, so is the connection 9 connected to the higher voltage potential. Is the connection 7 opened and the connection 8th closed, this will be the first connection 9 the phase winding W connected to the ground potential. Depending on the switching position of the individual switches, the phase winding can thus be subjected to two different voltage levels.

2 stellt vergleichsweise detailliert die mögliche Konstruktion einer Schaltung mit einer Konstellation aus zwei Halbleiterschaltern dar, über die gezielt zwei verschiedene Spannungspotentiale an eine Phasenwicklung angeschlossen werden können. Der Phasenwicklungsanschluss ist mit 9 und ein erster Schalter ist mit 7 sowie ein zweiter Schalter mit 8 – analog den Bezeichnungen aus der 1 – bezeichnet. Ein niedriges Spannungsniveau beispielsweise des Erdpotentials ist durch den Erdpotentialanschluss 5 bezeichnet, während das höhere Gleichspannungspotential an dem Anschluss 6 anliegt. Die Schalter 7, 8 sind als MOSFET's realisiert, die jeweils Durchschalten oder Sperren können, und die durch eine Steuerspannung bzgl. deren Schaltzustandes ansteuerbar sind. Die Steuerspannungseingänge sind in 2 mit 10, 11 bezeichnet. Durch entsprechende Ansteuerung der Steuerspannungseingänge 10, 11 kann somit an eine Phasenwicklung einer Schaltung, beispielsweise einer Sternschaltung, eines Elektroantriebs wahlweise ein Gleichspannungsimpuls eines höheren Spannungsniveaus oder eines geringeren Spannungsniveaus oder Erdpotentials übertragen werden. 2 represents comparatively detailed the possible construction of a circuit with a constellation of two semiconductor switches, can be connected via the targeted two different voltage potentials to a phase winding. The phase winding connection is with 9 and a first switch is with 7 and a second switch with 8th - analogous to the names from the 1 - designated. A low voltage level of, for example, ground potential is through the ground potential terminal 5 while the higher DC potential at the terminal 6 is applied. The switches 7 . 8th are realized as MOSFET's, each of which can be through or blocking, and which are controllable by a control voltage with respect to the switching state. The control voltage inputs are in 2 With 10 . 11 designated. By appropriate control of the control voltage inputs 10 . 11 Thus, a DC voltage pulse of a higher voltage level or a lower voltage level or ground potential can optionally be transmitted to a phase winding of a circuit, for example a star connection, an electric drive.

3 zeigt ein Ersatzschaltbild für eine Spannungsquelle, die beispielsweise das höhere Spannungsniveau am Anschluss 6 in 2 gegenüber Erdpotential liefern kann. Dabei bezeichnet 23 den Innenwiderstand der Spannungsquelle, 24 die Eigeninduktivität, 25 die Kapazität, 26 den Erdpotentialanschluss, 27 den Shuntwiderstand, an dem die Nutzspannung abfällt sowie 28 die gelieferte Nutzspannung und 29 den gelieferten Strom. Strom und Spannung werden auf der linken Seite der Schaltung beispielhaft durch eine Batterie geliefert. 3 shows an equivalent circuit diagram for a voltage source, for example, the higher voltage level at the port 6 in 2 to earth potential. This designates 23 the internal resistance of the voltage source, 24 the self-inductance, 25 the capacity, 26 the ground potential connection, 27 the shunt resistor at which the useful voltage drops as well 28 the supplied utility voltage and 29 the supplied electricity. Power and voltage are supplied on the left side of the circuit by way of example by a battery.

Üblicherweise weist eine Sternschaltung, wie in 1 dargestellt, jeweils Halbleiterschalterbrücken für jede Phasenwicklung auf, wie beispielsweise in 2 dargestellt.Usually, a star connection, as in 1 shown, each semiconductor switch bridges for each phase winding, such as in 2 shown.

Analoges gilt für eine in 4 schematisch dargestellte Dreiecksschaltung, die ebenfalls als typische Schaltung eines Elektroantriebes dienen kann, mit entsprechend in bekannter Weise gegenüber einer Sternschaltung verschiedener Antriebscharakteristik. Für die einzelnen Phasenwicklungen der Phasen U, V, W gilt das oben im Zusammenhang mit 1 Beschriebene.The same applies to an in 4 schematically shown triangular circuit, which can also serve as a typical circuit of an electric drive, with accordingly in a known manner to a star connection of different drive characteristics. For the individual phase windings of the phases U, V, W, the above applies in connection with 1 Described.

In 5 ist beispielhaft eine Synchronmaschine 15 in Form eines Synchronmotors dargestellt, der von einem Umrichter 16 gespeist wird. Der Umrichter 16 stellt eine Ansteuereinrichtung für die Phasenwicklungen U, V, W des Motors dar und enthält die typischen Komponenten für eine Spannungsversorgung der Phasenwicklungen, gegebenenfalls einschließlich einer Einrichtung für die Pulsweitenmodulation.In 5 is an example of a synchronous machine 15 represented in the form of a synchronous motor, by a converter 16 is fed. The inverter 16 represents a drive device for the phase windings U, V, W of the motor and contains the typical components for a voltage supply of the phase windings, optionally including a device for the pulse width modulation.

Eine entsprechende Regeleinrichtung für die Ansteuereinrichtung 16 ist in 5 mit 17, 37 bezeichnet. Die Regeleinrichtung 17 weist für den Spannungsvektor, der in der Ansteuereinrichtung 16 in die Speisespannung der Phasenwicklungen umgesetzt wird, einerseits ein Richtungsvorgabemodul 18 auf, das zeitabhängig unter Beachtung der Sollfrequenz die Ausrichtung des Spannungsvektors, das heißt die relative Phasenlage der einzelnen Phasenspannungen vorgibt sowie andererseits ein Vektorlängenmodul 19, das zur Festlegung der Amplitude der einzelnen Phasenspannungen dient. Die Informationen/Vorgaben des Richtungsvorgabemoduls 18 und des Vektorlängenmoduls 19 werden an ein Vektormodul 31 geleitet, das die Vorgaben in ein Vektor-Tupel, insbesondere ein Vektor-Tripel, also letztlich eine absolute Vorgabe für die einzelnen Komponenten des Spannungsvektors umsetzt. Diese Informationen werden dann an den Umrichter geleitet und dort in Speisespannungsgrößen für die einzelnen Phasen umgewandelt.A corresponding control device for the control device 16 is in 5 With 17 . 37 designated. The control device 17 points to the voltage vector in the driver 16 is converted into the supply voltage of the phase windings, on the one hand a direction specification module 18 which, depending on the desired frequency, determines the orientation of the voltage vector over time, that is to say the relative phase position of the individual phase voltages, and, on the other hand, a vector length module 19 , which is used to determine the amplitude of the individual phase voltages. The information / specifications of the direction specification module 18 and the vector length module 19 become one vector module 31 which converts the specifications into a vector tuple, in particular a vector triple, ie ultimately an absolute specification for the individual components of the voltage vector. This information is then passed to the inverter where it is converted into supply voltage quantities for the individual phases.

Als Spannungsverlauf kann beispielsweise in üblicher Form folgender für die Phasen U, V und W gewählt werden: U_U = sin(α) U_V = sin(α + 120°) U_W = sin(α – 120°) As a voltage curve, for example, the following can be selected in the usual form for the phases U, V and W: U _U = sin (α) U _V = sin (α + 120 °) U _W = sin (α - 120 °)

Die Vektorlänge wird durch die Spannungsamplitude U_Amp bestimmt. Aus der Richtungsvorgabe und der Vektorlänge baut die Regeleinrichtung 17, 37 die Ansteuergrößen für die Ansteuereinrichtung 16 auf: U_UAnst = U_Offset + U_Amp·U_U U_VAnst = U_Offset + U_Amp·U_V U_WAnst = U_Offset + U_Amp·U_W The vector length is determined by the voltage _amplitude U _Amp . The control device builds on the direction specification and the vector length 17 . 37 the control variables for the control device 16 on: U _UAnst = U _Offset + U _Amp · U _U U _VAnst = U _Offset + U _Amp · U _V U _WAst = U _Offset + U _Amp · U _W

Als Wert für U_Offset wird meist die halbe Zwischenkreisspannung gewählt. U_Offset kann aber auch vorteilhaft zeitlich veränderlich gewählt werden: U_Offset(t) = –min(U_Amp(t)·U_U(f), U_Amp(t)·V_V(t), U_Amp(t)·U_W(t)). The value for U _offset is usually half the DC link voltage. U _offset can also be chosen to be advantageous over time: U _Offset (t) = -min (U _Amp (t) * U _U (f), U _Amp (t) * V _V (t), U _Amp (t) * U _W (t)).

Dies führt dazu, dass jeweils eine Phase den Wert 0 hat. Diese Spannungsgrößen kann dann die Ansteuereinrichtung zur Erzeugung von zeitabhängigen Spannungswerten verarbeiten. Der Verlauf der einzelnen Phasenspannungen kann beispielsweise durch eine Pulsweitenmodulation in der Ansteuereinrichtung umgesetzt werden.This leads to one phase each having the value 0. These voltage variables can then process the control device for generating time-dependent voltage values. The profile of the individual phase voltages can be converted, for example, by a pulse width modulation in the control device.

Eingangsseitig wird der Regeleinrichtung 17, 37 außer beispielsweise der Sollfrequenz der Ansteuerung, also der Solldrehzahl der Maschine, einerseits über einen Sollwerteingang 32 ein Sollwert für den Lastwinkel oder einer oder mehreren für diesen repräsentativen Größen vorgegeben. Solche repräsentativen Größen können beispielsweise bestimmte Werte von induzierten Spannungen an den Phasenwicklungen zu bestimmten Zeitpunkten in Bezug auf die Periode der Phasenwicklungsansteuerung, also in Bezug auf die Ausrichtung des Phasenvektors sein.The input side is the control device 17 . 37 except, for example, the setpoint frequency of the control, that is, the setpoint speed of the machine, on the one hand via a setpoint input 32 a setpoint for the load angle or one or more of these representative sizes specified. Such representative quantities may, for example, be specific values of induced voltages on the phase windings at particular times with respect to the period of the phase winding drive, that is, with respect to the orientation of the phase vector.

Ein Messsystem 33 ermittelt aus direkt am Motor gemessenen Größen, wie beispielsweise der Phasenspannung und/oder dem Phasenstrom sowie beispielsweise den induzierten Spannungen und deren Zeitverhalten, den tatsächlichen Lastwinkel und leitet diesen eingangsseitig als Istwert an die Regeleinrichtung 17, 37 über den Istwert-Eingang 34 und den Phasenregler 37. Die Regeleinrichtung kann über den Phasenregler 37 zur gezielten Änderung des Lastwinkels beispielsweise die Phasenspannungen (entsprechend der Vektorlänge) vergrößern (bei zu großem Lastwinkel) oder verringern (bei zu kleinem Lastwinkel). Damit kann je nach der Wahl des Sollwertes am Sollwerteingang 32 ein optimierter Phasenwinkel eingestellt werden, der beispielsweise unter anderem vom Reluktanzmoment des Motors abhängt.A measuring system 33 determined from directly measured on the motor variables, such as the phase voltage and / or the phase current and, for example, the induced voltages and their time behavior, the actual load angle and passes this input side as an actual value to the control device 17 . 37 via the actual value input 34 and the phase controller 37 , The control device can via the phase controller 37 for a specific change in the load angle, for example, increase the phase voltages (corresponding to the vector length) (if the load angle is too large) or decrease (if the load angle is too small). Thus, depending on the choice of the setpoint at the setpoint input 32 an optimized phase angle can be set, which depends, inter alia, on the reluctance torque of the motor.

Aktuelle Messwerte des Lastwinkels oder der für ihn repräsentativen Größe(n) wird/werden in dem gezeigten Beispiel gemäß 5 zudem der Dämpfungseinrichtung 36 zugeführt. Die Dämpfungseinrichtung kann sowohl auf die Vektorlänge als auch auf die Vektorrichtung einwirken, d. h. sowohl die Phasenspannungsamplituden als auch kurzfristig die Drehzahl verändern.Current measured values of the load angle or of the variable (s) representative of it are / are determined in the example shown in FIG 5 also the damping device 36 fed. The damping device can act on both the vector length and the vector direction, ie both the phase voltage amplitudes and the speed change in the short term.

Die Messeinrichtung 33 kann zur Ermittlung der Rückwirkung des Motors auf die Ansteuerung auch direkt mit der Ansteuereinrichtung 16 verbunden sein, was durch eine gestrichelte Verbindung in 5 dargestellt ist. Die entsprechenden Größen können durch die Messeinrichtung 33 auch ausschließlich aus der Ansteuereinrichtung 16, beispielsweise in Form von Werten der Phasenströme, Phasenspannungen, des Zwischenkreisstroms oder des Batteriestromes gewonnen werden.The measuring device 33 can also be used directly to the control device to determine the reaction of the motor on the drive 16 be connected, which is indicated by a dashed connection in 5 is shown. The appropriate sizes can be determined by the measuring device 33 also exclusively from the control device 16 , are obtained, for example, in the form of values of the phase currents, phase voltages, the DC link current or the battery current.

Aus den in der Messeinrichtung 33 verarbeiteten Größen kann zusätzlich auch in einem Positionsermittlungsmodul 35 indirekt die absolute Position des Rotors des Motors 15 ermittelt werden. Diese kann auch eingangsseitig der Regeleinrichtung 17 übermittelt werden. Wichtig ist, dass die Positionsermittlung, die zur Weitergabe von Informationen an die Regeleinrichtung 17 führt, für den Regelungsvorgang nicht notwendig ist.From those in the measuring device 33 In addition, processed quantities can also be used in a position determination module 35 indirectly the absolute position of the rotor of the motor 15 be determined. This can also be the input side of the control device 17 be transmitted. What is important is that the position detection, which is to pass information to the control device 17 leads, for the control process is not necessary.

Es kann wahlweise oder zusätzlich ein weiteres Positionsermittlungsmodul vorgesehen sein, dass mittels direkt am Motor 15 vorhandener Sensoren funktioniert, jedoch werden die so gewonnen Informationen über die Rotorposition ebenfalls im Rahmen der Erfindung nicht als Eingangsgröße für die Regeleinrichtung 17 benötigt und stellen allenfalls vorteilhaft verwendbare Zusatzinformationen dar.It may optionally or additionally be provided a further position determination module that by means of directly on the engine 15 existing sensors, but the information thus obtained on the rotor position also in the context of the invention is not as an input to the control device 17 requires and represent at best advantageous usable additional information.

Um die Wirkungsweise der Regeleinrichtung 17, 37 zu dämpfen, kann beispielsweise das Messsystem 33 außer den Istwerten des Lastwinkels oder einer für diesen repräsentativen ermittelten Messgröße auch eine Änderungsgeschwindigkeit der betreffenden Istgröße ermitteln und diese der Dämpfungseinrichtung 36 zuführen. Die Dämpfungseinrichtung 36 ist mit dem Richtungsvorgabemodul 18 und dem Vektorlängenmodul 19 verbunden und wirkt eingangsseitig auf die Regeleinrichtung 17, 37 ein, um ein Nachstellen der Sollgröße derart zu dämpfen, dass gegebenenfalls Schwingungen des Systems minimiert werden und schnell abklingen. Dabei kann zur Dämpfung ein langsamer Regler verwendet werden. Die Dämpfungseinrichtung kann auch das konkrete Schwingungsverhalten des Rotors aus Messwerten ermitteln und dem Regelungsverhalten Signale überlagern, die zu einer Dämpfung der Schwingungen führen.To the operation of the control device 17 . 37 For example, the measuring system can attenuate 33 In addition to the actual values of the load angle or a measured variable determined for this representative, a rate of change of the determine the relevant actual size and that of the damping device 36 respectively. The damping device 36 is with the directional default module 18 and the vector length module 19 connected and acts on the input side to the control device 17 . 37 to attenuate a readjustment of the target size such that, if necessary, vibrations of the system are minimized and decay rapidly. It can be used for damping a slow controller. The damping device can also determine the specific vibration behavior of the rotor from measured values and superimpose signals on the control behavior which lead to a damping of the vibrations.

Die Dämpfungseinrichtung 36 kann beispielsweise gemessene Motorströme/Phasenstromstärken auswerten. Durch eine Pendelbewegung infolge einer Schwingung des Rotors werden beispielsweise Spannungen induziert, die sich den Speisespannungen aus der Ansteuereinrichtung überlagern. Auch beeinflusst die Variation des Lastwinkels die Phasenströme. Beispielsweise können die induzierten Spannungen im Nulldurchgang der Ströme gemessen werden, um entsprechende Pendelbewegungen zu detektieren. Die Dämpfung kann entweder durch Beeinflussung des momentan angesteuerten Lastwinkels (beispielsweise über eine zeitliche Rampe) oder durch eine Beeinflussung der Vektorlänge des Spannungsvektors geschehen.The damping device 36 can evaluate, for example, measured motor currents / phase currents. By a pendulum motion due to a vibration of the rotor, for example, voltages are induced, which overlap the supply voltages from the control device. Also, the variation of the load angle affects the phase currents. For example, the induced voltages at the zero crossing of the currents can be measured in order to detect corresponding oscillating movements. The damping can be done either by influencing the currently controlled load angle (for example over a time ramp) or by influencing the vector length of the voltage vector.

6 zeigt eine Konstellation, bei der die Dämpfungseinrichtung die Ausgangsgrößen der Regeleinrichtung moduliert und nicht unmittelbar auf die Regeleinrichtung einwirkt. Der Phasenregler der Regeleinrichtung kann sowohl auf die Vektorlänge als auch auf die Vektorrichtungsvorgabe, also die Phasenlage des Spannungsvektors, einwirken. 6 shows a constellation in which the damping device modulates the output variables of the control device and does not act directly on the control device. The phase controller of the control device can act both on the vector length and on the vector direction specification, ie the phase position of the voltage vector.

Bei einer beispielhaften Umsetzung der Erfindung wird zunächst der Regeleinrichtung eine Solldrehzahl und damit für jeden definierten Zeitpunkt auch eine Winkelposition vorgegeben. Wird eine Abweichung des Lastwinkels vom Sollwert detektiert, so folgt die durch die Regelung vorgegebene Drehzahl über eine Rampe dem eigentlichen Sollwert, wobei Randbedingungen wie die einzuhaltende Maximalstromstärke beachtet werden.In an exemplary implementation of the invention, a setpoint speed and thus an angular position for each defined point of time are initially predefined for the control device. If a deviation of the load angle from the nominal value is detected, then the speed predetermined by the control follows the actual nominal value via a ramp, wherein boundary conditions such as the maximum current intensity to be observed are observed.

Das Messsystem erfasst im geschätzten Nulldurchgang der induzierten Spannung einer oder mehrerer Phasen die Phasenströme und optional auch beispielsweise den Batteriestrom. Diese Größen sind die Eingangsgrößen für die Regeleinrichtung 17, 37 und die Dämpfungseinrichtung 36.The measuring system detects the phase currents in the estimated zero crossing of the induced voltage of one or more phases and optionally also, for example, the battery current. These quantities are the input variables for the control device 17 . 37 and the damping device 36 ,

Die Regeleinrichtung arbeitet dann folgendermaßen: Der Sollwert der Phasenströme im Nulldurchgang der induzierten Spannung ist Null. Da die Spannung zum Messzeitpunkt ausschließlich an der Induktivität abfällt, kann aus der bekannten Induktivität, der gemessenen Stromstärke und der Drehzahl die Sollspannung bestimmt werden. Die ermittelten Werte für Stromstärke und Spannung werden der Regeleinrichtung 17, 37 zugeleitet und durch Variation der Amplitude und Phasenlage(Vektorausrichtung) des Spannungsvektors auf Null geregelt.The controller then operates as follows: The set point of the phase currents at the zero crossing of the induced voltage is zero. Since the voltage at the time of measurement falls exclusively at the inductance, the setpoint voltage can be determined from the known inductance, the measured current intensity and the rotational speed. The determined values for current and voltage are the control device 17 . 37 fed and controlled by variation of the amplitude and phase position (vector orientation) of the voltage vector to zero.

Anstelle einer Variation von Phasenlage und Amplitude des Spannungsvektors können auch, wie in 7 dargestellt, zwei unabhängige Aspekte der Amplitude (ein Sinusanteil und ein Cosinusanteil) getrennt geregelt werden. In diesem Fall ist der Phasenregler 37 nur mit dem Vektorlängenmodul und nicht mit dem Vektorrichtungsmodul verbunden.Instead of a variation of the phase position and amplitude of the voltage vector can also, as in 7 represented, two independent aspects of the amplitude (a sine component and a cosine component) are controlled separately. In this case, the phase controller 37 only connected to the vector length module and not to the vector direction module.

Bei dem beschriebenen Beispiel nach 7 wirkt die Dämpfungseinrichtung beispielsweise folgendermaßen: Der Batteriestrom wird laufend gemessen. Bei Entstehen einer Pendelung des Rotors schwingt auch die Stromstärke des Batteriestroms entsprechend. Hieraus kann eine Dämpfung abgeleitet werden. Auf die Solldrehzahl wird eine zeitlich veränderliche Größe aufmoduliert, wobei n_neu = n_alt + f(I_Bat) mit f(I_Bat) gleich einem Dämpfungsfaktor, multipliziert mit einer Momentanabweichung der Batteriestromstärke von einem Stromstärkenmittelwert ist. Die Vorzeichen sind derart gewählt, dass bei einem momentanen Überschreiten der gemittelten Batteriestromstärke der Sollwert der Drehzahl etwas reduziert wird, und dass dieser Sollwert der Drehzahl bei Unterschreiten der gemittelten Batteriestromstärke etwas heraufgesetzt wird.In the example described after 7 For example, the damping device acts as follows: The battery current is measured continuously. When a pendulum oscillation of the rotor and the current strength of the battery current oscillates accordingly. From this, a damping can be derived. A time varying variable is modulated onto the target speed, where n _new = n _old + f (I _Bat ) with f (I _Bat ) equal to an attenuation factor multiplied by an instantaneous deviation of the battery current magnitude from a current average. The signs are chosen such that at a momentary exceeding of the average battery current strength of the target value of the speed is slightly reduced, and that this target value of the speed is slightly increased when the average battery power is below.

Durch diese schwingungsabhängige Modulation der Solldrehzahl/Sollfrequenz/Sollphasenlage wird eine effektive Dämpfung des Batteriestroms und des Gesamtsystems erreicht. Wahlweise kann zur Dämpfung auch die Amplitude der Phasenspannungen moduliert werden oder eine Kombination aus der Amplitude und der Phasenlage, wie dies in 5 angedeutet ist. Die Dämpfungseinrichtung 36 wirkt in der beschriebenen Weise gegen eine Überschreitung eines Kippwinkels und für eine Minimierung von Rotorschwingungen mit den bekannten entsprechenden Nebenwirkungen.By this vibration-dependent modulation of the target speed / target frequency / target phase position, an effective damping of the battery current and the overall system is achieved. Optionally, the amplitude of the phase voltages can be modulated for damping or a combination of the amplitude and the phase position, as in 5 is indicated. The damping device 36 acts in the manner described against exceeding a tilt angle and for minimizing rotor vibrations with the known corresponding side effects.

Im Ergebnis wird durch die Implementierung der Erfindung der Betrieb einer Synchronmaschine mit einer optimierten Regelung erreicht, wobei sich nach einer vertretbaren Zeit eine optimale Phasenlage zwischen Statorfeld/Drehfeld und Rotorfeld einstellt. Vorteilhaft können überlagerte Schwingungen durch einen Dämpfer, insbesondere einen elektronischen Dämpfer, schnell zum Abklingen gebracht werden. Das Betriebsverfahren kann auf Lastsprünge und sonstige Veränderungen sehr schnell reagieren, bevor vergleichbare Messwerte von Istpositionen des Rotors, die gemäß dem Stand der Technik über früher verwendete gesonderte Sensoren gewonnen wurden, solche Veränderungen signalisieren könnten. Das verwendete Messsystem kann mit geringem Aufwand und relativ geringer Genauigkeit und Abtastrate arbeiten, da die Phasenregelung und die Dämpfung im Allgemeinen nicht zeitkritisch sind.As a result, the implementation of the invention achieves the operation of a synchronous machine with optimized regulation, whereby an ideal phase position is established between the stator field / rotating field and the rotor field after a reasonable time. Advantageously, superimposed vibrations by a damper, in particular an electronic damper, can be quickly brought to a subsidence. The method of operation may respond very quickly to load transients and other changes before comparable measurements of actual positions of the rotor, obtained according to the prior art from previously used separate sensors, could signal such changes. The measuring system used can operate with little effort and relatively low accuracy and sampling rate, since phase control and attenuation are generally not time critical.

Die Erfindung ist nicht auf das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. Vielmehr können auch andere Varianten der Erfindung von dem Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen. Insbesondere sind ferner alle im Zusammenhang mit dem Ausführungsbeispiel beschriebene Einzelmerkmale auch auf andere Weise miteinander kombinierbar, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen.The invention is not limited to the embodiment described above. Rather, other variants of the invention can be derived therefrom by the person skilled in the art without departing from the subject matter of the invention. In particular, all the individual features described in connection with the exemplary embodiment can also be combined with one another in other ways, without departing from the subject matter of the invention.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: Sternpunktstar point
22: Induktivitätinductance
33: ohmscher Widerstandohmic resistance
44: induzierte Spannunginduced voltage
55: Erdpotentialanschlussground potential terminal
66: höheres Gleichspannungspotentialhigher DC potential
7, 87, 8: Schalterswitch
99: erster Anschluss der Phasenwicklung Wfirst connection of the phase winding W
10, 1110, 11: SteuerspannungseingängeControl voltage inputs
12, 13, 1412, 13, 14: Phasenanschlüsse in DreieckschaltungPhase connections in delta connection
1515: Synchronmotorsynchronous motor
1616: Ansteuereinrichtungdriving
17, 3717, 37: Regeleinrichtungcontrol device
1818: RichtungsvorgabemodulDirection specification module
1919: VektorlängenmodulVector length module
20, 21, 2220, 21, 22: über Phasenwicklung abfallende Spannungenover phase winding sloping voltages
2323: Innenwiderstand der SpannungsquelleInternal resistance of the voltage source
2424: Eigeninduktivität der SpannungsquelleSelf-inductance of the voltage source
2525: Kapazität der SpannungsquelleCapacity of the voltage source
2626: Erdpotentialanschluss der SpannungsquelleGround potential connection of the voltage source
2727: Shuntwiderstand der SpannungsquelleShunt resistance of the voltage source
2828: Nutzspannung der SpannungsquelleUseful voltage of the voltage source
2929: Strom der SpannungsquelleCurrent of the voltage source
3030: zweiter Anschluss der Phasenwicklung Vsecond terminal of the phase winding V
3131: Vektormodulvector module
3232: SollwerteingangSetpoint input
3333: Messeinrichtungmeasuring device
3434: Istwert-EingangActual value input
3535: Positions-ErmittlungsmodulPosition determination module
3636: Dämpfungseinrichtungattenuator
3737: Phasenregler (Teil der Regeleinrichtung)Phase controller (part of the control device)
U, V, WAND MANY MORE: Phasenwicklungenphase windings

Claims

Method for operating a synchronous machine, in particular a synchronous motor ( 15 ), with a stator with phase windings (U, V, W), with a drive device ( 16 ) for the phase windings, with a measuring device ( 33 ) and with a control device ( 17 . 37 ) for controlling the control device ( 16 ), characterized in that - the measuring device ( 33 ) only electrical quantities at the phase windings of the synchronous motor ( 15 ) and / or in the control device ( 16 ), from which the value of a variable representative of the load angle between the stator field and the rotor or the value of the load angle is determined, and - that exclusively from the deviation of the determined values from a setpoint value a manipulated variable of the control device ( 17 . 37 ) is determined to approximate the load angle to the target value of the load angle.

A method according to claim 1, characterized in that a speed and / or a time-dependent desired position of the rotor of the synchronous machine is predetermined.

A method according to claim 1 or 2, characterized in that the manipulated variable is a voltage amplitude and / or current amplitude at least one phase winding (U, V, W).

Method according to one of claims 1 to 3, characterized in that the manipulated variable is a variable time response of the drive voltage of a phase winding (U, V, W), in particular a duty cycle of a pulse width modulation for a limited action time.

A method according to claim 4, characterized in that the manipulated variable is the frequency of driving at least one phase winding (U, V, W).

Method according to one of claims 1 to 5, characterized in that the temporal behavior of the control deviation is determined and the rate of change of the manipulated variable under the action of the control device is deliberately reduced by a damping device to dampen the change in the control deviation.

Method according to one of claims 1 to 6, characterized in that for driving a damping device measured voltage values at the phase windings and / or phase currents of the synchronous machine and from this oscillations are determined.

Method according to one of claims 1 to 7, characterized in that for controlling a damping device in the phase windings induced by the rotor movement voltage is detected and from this oscillations are determined.

Method according to one of claims 1 to 8, characterized in that for damping a rotor oscillation by a damping device, the phase position of the drive voltage influenced, in particular modulated.

Method according to one of claims 1 to 9, characterized in that for damping a rotor oscillation by a damping device affects the amplitude of the drive voltage, in particular modulated.

Method according to one of claims 1 to 9, characterized in that for damping a rotor oscillation by a damping device ( 36 ) a time-dependent voltage at the converter of the commutation voltage generated by the control device is superimposed.

Synchronous machine, in particular synchronous motor ( 15 ), with a stator with phase windings (U, V, W) and with a rotor, with a drive device ( 16 ) for the phase windings (U, V, W) and with a measuring device ( 33 ) and with a control device ( 17 . 37 ) for controlling the control device ( 16 ), characterized in that - the measuring device ( 33 ) exclusively electrical measured quantities on at least one phase winding (U, V, W) and / or on the drive device ( 16 ), and - that the measuring device ( 33 ) only electrical quantities at the phase windings (U, V, W) of the synchronous machine ( 15 ) and / or in the control device ( 16 ), the control device ( 17 . 37 ) on the input side for supplying the reference variable exclusively with the measuring device ( 33 ), - that the control device determines a representative of the load angle between the stator and rotor size or the load angle and a manipulated variable, in particular a voltage amplitude for driving the phase windings (U, V, W) to approximate the load angle to the target value of the load angle ,

Synchronous machine according to claim 12, characterized in that the measuring device ( 33 ) has a device for measuring the current intensity and / or voltage at at least one phase winding (U, V, W).

Synchronous machine according to claim 12 or 13, characterized in that the measuring device ( 33 ) a device for measuring the current intensity and / or the voltage at a current source ( 23 . 24 . 25 . 26 . 27 . 28 . 29 ) of the control device ( 16 ) and / or on an electrical intermediate circuit ( 5 . 6 . 7 . 8th . 9 . 10 . 11 ) having.

Synchronous machine according to claim 12, 13 or 14, characterized in that an electronic damping device ( 36 ) for the manipulated variable of the control device ( 17 ) provided in the control device ( 17 ) integrated or this is downstream.