-
Aus der Literatur sind Verfahren zur stromsensorlosen Ansteuerung von Permanentmagnet erregten Synchronmaschinen (PMSM) bekannt.
-
Bei einem Prinzip dieser Verfahren erfolgt die stromsensorlose Motoransteuerung unter Verwendung eines Strom-Simulators.
-
Dieses Prinzip beschreibt z.B. die Veröffentlichung (1) „High Performance Current Sensorless Speed Servo System of PM Motor Based on Current Estimation" (2001) von Kiyoshi Ohishi und Yusuke Nakamura.
-
1 zeigt die prinzipielle Funktion der darin beschriebenen Motoransteuerung. Hierbei sind in rotorfeldorientierten Koordinaten (d und q): id(ref) 101 und iq(ref) 102 die Soll-Ströme, id(sim) 103 und iq(sim) 104 berechnete Ist-Ströme, ud(ref) 105 und uq(ref) 106 Soll-Spannungen sowie ωe 107 die elektrische Winkelgeschwindigkeit und ωm 108 die mechanische Winkelgeschwindigkeit des Motors (PMSM) 109. Die Motorströme werden in rotorfeldorientierten Koordinaten (d und q) geregelt. Als Ist-Werte für die Regelung werden mit einem Strom-Simulator 110 berechnete Ströme id(sim) 103 und iq(sim) 104 und keine gemessenen Ströme verwendet. Der Strom-Simulator 110 berechnet die Motorströme id(sim) 103 und iq(sim) 104 basierend auf den Sollspannungen ud(ref) 105 und uq(ref) 106 des PWM-Inverters 111 und der elektrischen Winkelgeschwindigkeit ωe 107. Die Berechnung der Ströme im Strom-Simulator 110 erfolgt mit Hilfe eines Motormodells wobei basierend auf den Statorspannungsgleichungen die Motorströme in feldorientierten Koordinaten (d und q) berechnet werden.
-
Weiter wird z.B. in der Veröffentlichung (2) „High-Performance Current Sensorless Drive for Synchronous Motors with Only Low-Resolution Position Sensor" (2002) von Shingeo Morimoto und anderen dasselbe Prinzip der Motoransteuerung beschrieben. Die Motorstromregelung erfolgt hier wieder in feldorientierten Koordinaten (d und q) wobei die Ist-Ströme ebenfalls durch einen Strom-Simulator berechnet werden.
-
Weiter besteht die Möglichkeit bei der stromsensorlosen Motoransteuerung nach dem oben beschrieben Prinzip mit einem Strom-Simulator 215 anstelle der Sollspannungen 210 und 211 die an den Motorklemmen anliegenden Spannungen 205 nach dem PWM-Inverter 216 zur Berechnung der Motorströme id(sim) 208 und iq(sim) 209 mit dem Strom-Simulator 215 zu verwenden. Hierzu wird die Spannung an den Motorklemmen 205 in die Motorstrangspannungswerte umgerechnet. Diese Motorstrangspannungswerte werden dann mit dem Rotorwinkel 201 vom stationären System in das rotorfeldorientierte System (d und q) umgerechnet. Dies kann z.B. bei einem 3-Phasen-System mit den bekannten Transformationen:
- – stationär a, b, c nach stationär α, β nach rotorfeldorientiert d, q
- – stationär a, b, c nach rotorfeldorientiert d, q (Park-Transformation) erfolgen.
-
Die mit dem Strom-Simulator berechnete Ströme id(sim) 208 und iq(sim) 209 werden als Ist-Ströme für die Motorstromregelung verwendet.
-
2 zeigt dies. In 2 ist θ der Rotorwinkel 201 und ud(ist) 202 und uq(ist) 203 die aus den Spannungen an den Motorklemmen 205 berechnete Motorspannung im rotorfeldorientierten Koordinatensystem (d und q).
-
Weiter besteht die Möglichkeit der stromsensorlosen Motoransteuerung nach dem oben beschrieben Prinzip mit einem Strom-Simulator 318 wobei um Totzeiten der Leistungselektronik korrigierte Motorspannungen ud(korr) 307 und uq(korr) 308 für die Berechnung der Ströme id(sim) 312 und iq(sim) 313 mit dem Strom-Simulator 318 verwendet werden. Bei der Ermittlung der korrigierten Motorspannungen ud(korr) 307 und uq(korr) 308 wird die Phasenstromrichtung 302 zur Totzeitkompensation 301 aus einem Vergleich der Soll-PWM 303 mit der Ist-PWM 304 ermittelt. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel.
-
Weiter kann abhängig von PWM-Bereichen in denen die zu stellende PWM liegt oder von weiteren Eingangsgrößen eine Umschaltung der beim Strom-Simulator zur Berechnung verwendeten Spannungen ud und uq erfolgen. Die dazu zur Verfügung stehenden Spannungen ud und uq werden durch unterschiedliche Verfahren, wie z.B. die oben beschrieben Verfahren oder weitere Verfahren, ermittelt.
-
Alle den Ausführungsformen des Verfahren zur stromsensorlose Motoransteuerung unter Verwendung eines Strom-Simulators ist gemeinsam, dass mit einem Strom-Simulator Ist-Ströme id(sim) und iq(sim) zur Motorstromregelung unter Verwendung der Motorspannungen ud und uq in rotorfeldorientierten Koordinaten (d und q) berechnet werden.
-
Für die Motorspannungen ud und uq werden je nach Ausführungsform des Verfahrens z.B. die Soll-Spannungen ud(ref) 105 und uq(ref) 106 oder die Ist-Spannungen ud(ist) 202 und uq(ist) 203 oder korrigierte Spannungen ud(korr) 307 und uq(korr) 308 verwendet.
-
Die Berechnung der Ist-Ströme id(sim) und iq(sim) im Strom-Simulator erfolgt auf Grundlage der aus der Fachliteratur bekannten Statorspannungsgleichungen der Permanentmagnet erregten Synchronmaschinen (PMSM) in rotorfeldorientierten Koordinaten (d und q). In (2) sind diese im Bildbereich angegeben: ud = Ra·id + s·id·Ld – ωe·Lq·iq uq = Ra·iq + s·iq·Lq + ωe·Ld·id + ωe·ψp
-
Hierbei ist:
- ud
- = Motorlängsspannung (d → in Richtung der Rotorfeldachse)
- uq
- = Motorquerspannung (q → Quer zur Rotorfeldachse)
- Ra
- = Strangwiderstand, gegebenenfalls inklusive Zuleitungen und Innenwiderstand der Ansteuerung
- id
- = Längsstrom (d → in Richtung der Rotorfeldachse)
- iq
- = Querstrom (q → Quer zur Rotorfeldachse)
- Ld
- = Längsinduktivität
- Lq
- = Querinduktivität
- ωe
- = elektrische Winkelgeschwindigkeit
- Ψp
- = Flussverkettung mit dem Rotormagnetfeld
- s
- = Laplaceoperator
-
Nach Umformung dieser Statorspannungsgleichungen nach den Strömen id und iq ergeben sich die Gleichungen im Bildbereich zur Berechnung der Ist-Ströme id(sim) und iq(sim) mit dem Strom-Simulator. id = 1 / Ra + s·Ld·(ud + ωe·Lq·iq) iq = 1 / Ra + s·Lq·(uq − ωe·Ld·id – ωe·ψp)
-
In (1) sind diese Gleichungen angegeben für Ld = Lq = La.
-
Damit diese Gleichungen, z.B. für Berechnungen auf einem Mikrorechner, programmiert werden können müssen diese Gleichungen zeitdiskretisiert werden.
-
Hierzu sind in der Regelungstechnik mehrere Methoden bekannt wie beispielsweise die Substitutionsverfahren mit den Näherungsarten:
- • Vorwärtsdifferenzen
- • Rückwärtsdifferenzen
- • Trapeznäherung
oder unter Verwendung von Korrespondenzen für das PT1-Element wie z.B. in (1) angewendet oder unter Verwendung weiterer bekannter Verfahren.
-
Wird das Substitutionsverfahren mit der Näherungsart Vorwärtsdifferenzen angewendet ergeben sich die zeitdiskreten Gleichungen für die Berechnung der Ist-Ströme id(sim) und iq(sim) für den Strom-Simulator: id(sim)[k + 1] = id(sim)[k] + Ta / Ld(ud[k] – Ra·id(sim)[k] + ωe[k]·Lq·iq(sim)[k]) iq(sim)[k + 1] = iq(sim)[k] + Ta / Lq(uq[k] – Ra·iq(sim)[k] – ωe[k]·Ld·id(sim)[k] – ωe[k]·ψp) wie sie z.B. auch in (2) angegeben werden.
-
Hierbei ist Ta die Abtastzeit der zyklischen Stromberechnung des Strom-Simulators.
-
4 zeigt die Abtastzeit der zyklischen Stromberechnung Ta beispielhaft.
-
Die Abtastzeit der zyklischen Stromberechnung Ta ist die Zeit zwischen den einzelnen Starts der zyklisch nacheinander ausgeführten Funktionen, von denen eine die Stromberechnung durch den Stromsimulator ausführt.
-
Weitere Funktionen dienen zur Erfassung von Messgrößen, insbesondere die momentane Rotorlage zur nachfolgenden Bestimmung der Rotordrehzahl und daraus der mechanischen und elektrischen Winkelgeschwindigkeit, oder zur feldorientierten Motorstromregelung.
-
Aufgrund der Querkopplungen durch die Ströme id und iq in den Berechnungsgleichungen entsteht für die berechneten Ströme ein schwingungsfähiges System.
-
Die Stabilität des schwingungsfähigen Systems für die Berechnung der Ströme ist abhängig von der Abtastzeit bzw. Abtastfrequenz und der elektrischen Winkelgeschwindigkeit ωe und damit von der mechanischen Winkelgeschwindigkeit ωm, d.h. von der Rotordrehzahl n, da: ωm = 2·π·n ωe = p·ωm wobei:
- p
- = Polpaarzahl der Maschine
-
Für die Abtastfrequenz der zyklischen Stromberechnung gilt: fa = 1 / Ta
-
Dies hat zur Folge, das in Abhängigkeit der Maschine, d.h. je nach Motorparameter, bei einer bestimmten Abtastfrequenz bei der Überschreitung einer Drehzahl die berechneten Motorströme sich aufschwingen. Dadurch ist die Verwendung der berechneten Motorströme für eine Motorstromregelung nicht mehr möglich.
-
Je niedriger die Abtastfrequenz ist, desto niedriger ist auch die Drehzahl ab der sich die berechneten Ströme aufschwingen.
-
Dies hat zur Folge, dass je nach Maschine, d.h. je nach Motorparameter, bei Verwendung von relativ geringen Abtastfrequenzen zur Stromberechnung sich bereits im gewünschten Drehzahlbereich der Maschine die berechneten Ströme aufschwingen.
-
Erfolgt z.B. die Abtastung der Stromberechnung mit ein paar kHz d.h. mit 1kHz oder 2kHz oder 4kHz können die berechneten Ströme schon bei Drehzahlen ab 1600 1/min oder 2300 1/min oder 3100 1/min sich aufschwingen.
-
5 zeigt dies beispielhaft für eine Drehzahländerung von 0 auf z.B. 2400 1/min.
-
Um für einen größeren Drehzahlbereich in den stabilen Bereich für die Berechnung der Ströme zu gelangen, gibt es die Möglichkeit einer Erhöhung der Abtastfrequenz der zyklischen Stromberechnung.
-
Erfolgt z.B. die Abtastung der Stromberechnung mit 8kHz oder 10kHz oder 16kHz oder höher, erhöht sich der mögliche Drehzahlbereich ohne Aufschwingen der berechneten Ströme auf z.B. 4500 1/min oder 5000 1/min oder 6400 1/min oder höher.
-
6 zeigt dies beispielhaft für eine Drehzahländerung von 0 auf z.B. 2400 1/min bei der vierfachen Abtastfrequenz im Vergleich zu dem Beispiel aus 5.
-
Die Erhöhung der Abtastfrequenz hat jedoch den Nachteil, dass dafür mehr Rechenleistung benötigt wird und die ganzen Eingangssignale zur Stromberechnung ebenfalls öfters zur Verfügung gestellt bzw. abgetastet werden müssen.
-
Dies ist mit mehr Aufwand und Kosten verbunden.
-
Aufgabe der Erfindung:
-
Aufgaben der Erfindung ist es ein Verfahren zu entwickeln bei dem bei relativ niedrigen Abtastfrequenzen der zyklischen Stromberechnung und deren Eingangssignale der Drehzahlbereich ohne Aufschwingen der berechneten Ströme möglichst groß ist.
-
Lösung der Aufgabe
-
Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Verfahren zur stromsensorlosen Ansteuerung einer Permanentmagnet erregten Synchronmaschine vorgeschlagen, bei dem während der Abtastzeit einer zyklischen Stromberechnung die Berechung gemäß den Gleichungen zur Berechnung der Ströme mehrfach nacheinander mit der um eine Berechnungsanzahl dividierten Abtastzeit der zyklischen Stromberechnung berechnet werden, wobei das Ergebnis der jeweils berechneten Ströme als Eingangsgrößen für die nachfolgende Berechnung verwendet werden.
-
Das Verfahren zur stromsensorlosen Ansteuerung einer Permanentmagnet erregten Synchronmaschine findet dabei Anwendung bei einer Stromregelung bei der für die rückgekoppelten Ist-Ströme zur Regelung berechnete Ströme verwendet werden, wobei die Berechnung unter Verwendung mindestens der Eingangsgrößen der Motorspannungen und der Winkelgeschwindigkeit der Maschinenwelle im rotorfeldorientierten Koordinatensystem erfolgt.
-
Von Vorteil ist es dabei, dass die Eingangsgrößen zur Stromberechnung mit der Abtastfrequenz der zyklischen Stromberechnung abgetastet werden.
-
Des Weiteren ist es vorgesehen, dass die Abtastfrequenz der zyklischen Stromberechnung kleiner oder gleich 4kHz beträgt.
-
Die Berechnungsanzahl liegt dabei bevorzugt zwischen 2 und 16.
-
Gemäß der Erfindung ist es vorgesehen, dass als Motorspannungen Soll-Motorspannungen oder Ist-Motorspannungen oder korrigierte Motorspannungen verwendet werden.
-
Erfindungsgemäß wird das Verfahren zum Betrieb eines Elektromotors einer elektrischen Servolenkung verwendet.
-
Zum Gegenstand der Erfindung zählt auch ein Steuergerät zum Betrieb einer elektrischen Servolenkung, wenn es dafür vorbereitet ist, das vorgeschlagene Verfahren durchzuführen.
-
Bevorzugtes Ausführungsbeispiel
-
Innerhalb der jeweiligen Abtastzeit der zyklischen Stromberechnung Ta werden die Gleichungen zur Stromberechnung mehrfach nacheinander ausgeführt. Die Anzahl der dabei nacheinander mehrfach ausgeführten Gleichungen zur Stromberechnung ist die Berechnungsanzahl c. Die bei den jeweiligen nacheinander mehrfach ausgeführten Gleichungen zur Stromberechnung verwendete Teilabtastzeit Tta ist die Abtastzeit der zyklischen Stromberechung Ta dividiert durch die Berechnungsanzahl c.
-
D.h. je Abtastzeit der zyklischen Stromberechnung wird ausgeführt:
- 1) id(sim)[n = 1] = id(sim)[k]
iq(sim)[n = 1] = iq(sim)[k]
- 2) Für n = 1 bis n + 1 = c wiederholen von:
id(sim)[n + 1] = id(sim)[n] + Tta / Ld(ud[k] – Ra·id(sim)[n] + ωe[k]·Lq·iq(sim)[n])
iq(sim)[n + 1] = iq(sim)[n] + Tta / Lq(uq[k] – Ra·iq(sim)[n] – ωe[k]·Ld·id(sim)[n] – ωe[k]·ψp)
- 3) id(sim)[k + 1] = id(sim)[n + 1]
iq(sim)[k + 1] = id(sim)[n + 1]
wobei: Tta = Ta / c mit: - Ta
- = Abtastzeit der zyklischen Stromberechnung
- Tta
- = Teilabtastzeit
- c
- = Berechnungsanzahl
-
Hierbei werden während der Abtastzeit der zyklischen Stromberechnung immer dieselben Eingangsgrößen ud[k], ωe[k] und uq[k] verwendet. D.h. die Eingangsgrößen werden ebenfalls nur mit der niederen Abtastfrequenz zur Stromberechung abgetastet.
-
Die Abtastfrequenz der zyklischen Stromberechnung fa kann frei gewählt werden.
-
Ebenfalls kann die Berechnungsanzahl c frei gewählt werden.
-
In bevorzugten Ausführungsformen wird für die Abtastfrequenz der zyklischen Stromberechnung fa = 1kHz oder 2kHz oder 4kHz und für die Berechnungsanzahl c = 2 oder 4 oder 8 oder 16 gewählt.
-
Dadurch lässt sich die Stromberechnung und die Abtastung der Eingangssignale mit einer niederen Abtastfrequenz durchführen, wobei sich der Drehzahlbereich in dem die Stromberechnung stabil ist vergrößert.
-
7 zeigt dies beispielhaft für die Berechnungsanzahl 4 für dieselbe Abtastfrequenz der zyklischen Stromberechung wie beim Beispiel zu 5. In 7 sind die Ergebnisse aller 4 Berechnungen während der Abtastzeit der zyklischen Stromberechnung dargestellt.
-
Liste der Bezugszeichen
-
Bezugszeichenliste
-
- 101
- Soll-Strom in d-Richtung id(ref)
- 102
- Soll-Strom in q-Richtung iq(ref)
- 103
- berechneter Ist-Strom in d-Richtung id(sim)
- 104
- berechneter Ist-Strom in q-Richtung iq(sim)
- 105
- Soll-Spannung in d-Richtung ud(ref)
- 106
- Soll-Spannung in q-Richtung uq(ref)
- 107
- elektrische Winkelgeschwindigkeit ωe
- 108
- mechanische Winkelgeschwindigkeit ωm
- 109
- Permanentmagnet erregte Synchronmaschine
- 110
- Stromsimulator
- 111
- PWM-Inverter
- 112
- PI-Regler
- 113
- PI-Regler
- 114
- Element zur Berechnung der elektrischen Winkelgeschwindigkeit mit der Polpaarzahl p der Synchronmaschine aus der mechanischen Winkelgeschwindigkeit
- 201
- Rotorlagewinkel θ
- 202
- berechnete Motorspannung in d-Richtung ud(ist)
- 203
- berechnete Motorspannung in q-Richtung uq(ist)
- 204
- Element das die Spannungen an den Motorklemmen ermittelt und diese in die Motorstrangspannungswerte umrechnet und diese mit dem Rotorlagewinkel vom stationären System in das rotorfeldorientierte System (d und q) umrechnet
- 205
- Phasenabgänge der Halbbrücken des PWM-Inverter, hier liegt die Motorklemmenspannung an
- 206
- Soll-Strom in d-Richtung id(ref)
- 207
- Soll-Strom in q-Richtung iq(ref)
- 208
- berechneter Ist-Strom in d-Richtung id(sim)
- 209
- berechneter Ist-Strom in q-Richtung iq(sim)
- 210
- Soll-Spannung in d-Richtung ud(ref)
- 211
- Soll-Spannung in q-Richtung uq(ref)
- 212
- elektrische Winkelgeschwindigkeit ωe
- 213
- mechanische Winkelgeschwindigkeit ωm
- 214
- Permanentmagnet erregte Synchronmaschine
- 215
- Stromsimulator
- 216
- PWM-Inverter
- 217
- PI-Regler
- 218
- PI-Regler
- 219
- Element zur Berechnung der elektrischen Winkelgeschwindigkeit mit der Polpaarzahl p der Synchronmaschine aus der mechanischen Winkelgeschwindigkeit
- 220
- Element zur Berechnung der Winkelgeschwindigkeit aus dem Rotorlagewinkel
- 301
- Element zur Kompensation der Totzeit
- 302
- Phasenstromrichtung der unterschiedlichen Phasen
- 303
- Soll-PWM, z.B. Ansteuersignal des oberen Transistors der jeweiligen Halbbrücken
- 304
- Ist-PWM, d.h. die an den Phasenabgängen der Halbrücken anliegende PWM
- 305
- Element zur Ermittlung der Stromrichtung der unterschiedlichen Phasen
- 306
- um die Totzeit korrigierte PWM
- 307
- aus der um die Totzeit korrigierten PWM berechnete Motorspannung in d-Richtung ud(korr)
- 308
- aus der um die Totzeit korrigierten PWM berechnete Motorspannung in q-Richtung uq(korr)
- 309
- Element das aus der PWM die Spannungen an den Motorklemmen ermittelt und diese in die Motorstrangspannungswerte umrechnet und diese mit dem Rotorlagewinkel vom stationären System in das rotorfeldorientierte System (d und q) umrechnet
- 310
- Soll-Strom in d-Richtung id(ref)
- 311
- Soll-Strom in q-Richtung iq(ref)
- 312
- berechneter Ist-Strom in d-Richtung id(sim)
- 313
- berechneter Ist-Strom in q-Richtung iq(sim)
- 314
- Soll-Spannung in d-Richtung ud(ref)
- 315
- Soll-Spannung in q-Richtung uq(ref)
- 316
- PI-Regler
- 317
- PI-Regler
- 318
- Stromsimulator
- 319
- PWM-Inverter
- 320
- Phasenabgänge der Halbbrücken des PWM-Inverter, hier liegt die Motorklemmenspannung an
- 321
- Permanentmagnet erregte Synchronmaschine
- 322
- Rotorlagewinkel θ
- 323
- Element zur Berechnung der Winkelgeschwindigkeit aus dem Rotorlagewinkel
- 324
- mechanische Winkelgeschwindigkeit ωm
- 325
- Element zur Berechnung der elektrischen Winkelgeschwindigkeit mit der Polpaarzahl p der Synchronmaschine aus der mechanischen Winkelgeschwindigkeit
- 326
- elektrische Winkelgeschwindigkeit ωe
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- „High Performance Current Sensorless Speed Servo System of PM Motor Based on Current Estimation“ (2001) von Kiyoshi Ohishi und Yusuke Nakamura [0003]
- „High-Performance Current Sensorless Drive for Synchronous Motors with Only Low-Resolution Position Sensor“ (2002) von Shingeo Morimoto und anderen dasselbe Prinzip der Motoransteuerung [0005]
