DE102012211022A1

DE102012211022A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Stromregelung für einen Umrichter

Info

Publication number: DE102012211022A1
Application number: DE201210211022
Authority: DE
Inventors: Norbert Huber; Christian Brendel
Original assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Current assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Priority date: 2012-06-27
Filing date: 2012-06-27
Publication date: 2014-01-02

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Stromregelung für einen Umrichter, bei dem an Ausgängen des Umrichters (U) von Strommesseinrichtungen (A1, A2, A3) der jeweilige Phasenstrom (i1, i2, i3) gemessen wird und einer dem Umrichter (U) zugeordneten Regeleinrichtung zur Regelung der Phasenströme (i1, i2, i3) zugeführt wird und bei dem wiederkehrend eine Korrektur von Messfehlern der Strommesseinrichtungen (A1, A2, A3) vorgenommen wird. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass zur Korrektur von Messfehlern die Strommesseinrichtungen (A1, A2, A3) einzeln kalibriert werden, während sich die weiteren Strommesseinrichtungen im Messbetrieb befinden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Stromregelung für einen Umrichter.
Bei einem solchen Verfahren wird an den einzelnen Phasenausgängen des Umrichters der jeweilige Phasenstrom mittels einer Strommesseinrichtung gemessen und einer dem Umrichter zugeordneten Regeleinrichtung zur Regelung der Phasenströme zugeführt. Weiterhin wird eine Korrektur von Messfehlern der Strommesseinrichtungen vorgenommen. Hierbei geht es insbesondere um die Korrektur von Messfehlern in Form systematischer Messwertabweichungen, zum Beispiel eines systematischen Offset-Fehlers oder systematischer Abweichungen eines Verstärkungsfaktors.
Aus der DE 10 2004 040 051 A1 ist ein Verfahren zur Ausregelung von Verstärkungsfehlern bei einer dreiphasigen Strommessung an einem Umrichter bekannt, bei dem an den Phasenausgängen von Strommesseinrichtungen der jeweilige Phasenstrom gemessen und resultierende Messsignale an eine Stromregeleinrichtung des Umrichters zurückgeführt werden, wobei periodisch wiederkehrend außerdem folgende Schritte ausgeführt werden: Umwandeln der drei Messsignale in drei digitale Signale; Aufsummieren der drei digitalen Signale zu einem Summenwert und Transformieren der drei digitalen Signale in einen komplexen Raumzeiger mit einem Realteil und einem Imaginärteil; Abbilden des komplexen Raumzeigers in eine zweidimensionale komplexe Beobachterebene, die um den Ursprung herum eine Anzahl von Sektoren mit einer Sektorenvariablen aufweist; Zuweisen des Summenwertes zu einem ersten Wert eines Wertepaares für den Sektor und Zuweisen des Real- oder Imaginärteils des komplexen Raumzeigers zu einem zweiten Wert diese Raumzeigers, wenn der Raumzeiger in dem Sektor liegt; weiterhin, wenn den Wertepaaren aller Sektoren Werte zugewiesen sind, dann Bilden eines ersten Korrekturwertes aus den Wertepaaren, denen ein Realteil zugewiesen wurde, und Bilden eines zweiten Korrekturwertes aus den Wertepaaren, denen ein Imaginärteil zugewiesen wurde; sowie Beaufschlagen der drei Digitalsignale mit diesem ersten und zweiten Korrekturwert, um Verstärkungsfehler auszuregeln. Mit diesem Verfahren kann eine Korrektur von Messfehlern in Form von Verstärkungsfehlern auch während des Betriebs des Umrichters durchgeführt werden. Das Verfahren ist jedoch in der Ausführung sehr aufwändig.
Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, die in einfacher Weise eine Korrektur von Messfehlern der Strommesseinrichtungen ermöglichen.
Dieses Problem wird hinsichtlich des Verfahrens durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Danach ist vorgesehen, dass zur Korrektur von Messfehlern eine jeweilige Strommesseinrichtung während des Messbetriebs der übrigen Strommesseinrichtungen wiederkehrend kalibriert wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren beruht zum Einen auf der Erkenntnis, dass die Summe der Ströme an den Phasenausgängen des Umrichters in dessen Normalbetrieb gleich Null ist. Daher lässt sich der Strom an einem jeweiligen Ausgang des Umrichters aus den Strömen an dessen weiteren Ausgängen berechnen. Dies bedeutet wiederum, dass z.B. während des Messbetriebs jeweils eine der Strommesseinrichtungen deaktiviert und kalibriert werden kann, während die übrigen Strommesseinrichtungen weiterhin die an den zugehörigen, weiteren Ausgängen des Umrichters anliegenden Ströme messen. Der Strom an dem Ausgang des Umrichters, dessen Strommesseinrichtung jeweils deaktiviert und kalibriert wird, lässt sich aus den an den weiteren Ausgängen gemessenen Strömen berechnen, so dass bei abwechselnder Deaktivierung und Kalibrierung jeweils einer der Strommesseinrichtungen an allen Ausgängen des Umrichters der jeweilige Strom bekannt ist.
Nach einer anderen Variante der Erfindung kann aber auch vorgesehen sein, dass eine jeweilige Strommesseinrichtung während ihrer Kalibrierung weiterhin den zugehörigen Phasenstrom misst. Dies lässt sich z.B. erreichen, indem zur Kalibrierung einer jeweiligen Strommesseinrichtung die an deren Messwiderstand abfallende Messspannung mindestens einmal umgepolt wird, um hieraus Messwertabweichungen in der Strommesseinrichtung zu ermitteln.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann grundsätzlich bei beliebigen Mehrphasensystemen angewandt werden. Es ist insbesondere auch geeignet, zur Anwendung bei dem in der Praxis häufigsten Fall, nämlich einem Dreiphasensystem. Ferner ist das Verfahren vorteilhaft anwendbar bei einem Umrichter, der in bekannter Weise zum Betrieb eines Elektromotors dient.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann abwechselnd jede der Strommesseinrichtungen jeweils zeitweise zur Kompensation von Messfehlern kalibriert (und hierbei ggf. deaktiviert) werden, während die übrigen Strommessseinrichtungen im Messbetrieb verbleiben. Dabei kann jede der Strommesseinrichtungen wiederkehrend (zu bestimmten, vorgebbaren Zeitpunkten) jeweils kalibriert (und ggf. deaktiviert) werden, so dass im Messbetrieb eine (laufende, wiederkehrende) Kompensation von Messfehlern, insbesondere von Offset- und Verstärkungsfehlern, an den einzelnen Strommesseinrichtungen möglich ist.
Die Strommessung mittels der einzelnen Strommesseinrichtungen kann zum Beispiel in der Weise erfolgen, dass dort jeweils eine Messspannung verarbeitet wird, die in Abhängigkeit von dem am jeweiligen Ausgang des Umrichters fließenden Strom an einem Widerstand der Strommesseinrichtung (so genannter „Shunt-Widerstand“ bzw. Messwiderstand) abfällt, wie zum Beispiel in der DE 102 37 920 B3 beschrieben. Zur Kalibrierung einer jeweiligen Strommesseinrichtung (während die übrigen Strommesseinrichtungen sich weiterhin im Messbetrieb befinden) kann dann anstelle der an jenem Widerstand abfallenden Messspannung eine (separat hiervon erzeugte) definierte Kalibrierspannung verarbeitet werden.
So kann vorgesehen sein, dass einer jeweiligen Strommesseinrichtung Umschaltmittel, zum Beispiel in Form eines Multiplexers, zugeordnet sind, mittels derer wahlweise die Messspannung oder eine Kalibrierspannung einer Auswertung in der Strommesseinrichtung zugeführt wird.
Ein Messfehler in Form eines Offset-Fehlers lässt sich dann sehr einfach dadurch bestimmen, dass die Kalibrierspannung gleich Null gesetzt wird und ermittelt wird, ob eine durch Verarbeitung der Kalibrierspannung in der Strommesseinrichtung erzeugte resultierende Spannung einen von Null verschiedenen Wert hat. Dies weist auf einen Offset-Fehler hin, der entsprechend zu kompensieren ist.
Zur Bestimmung eines Messfehlers in Form eines so genannten Verstärkungsfehlers, also einer Abweichung des Verstärkungsfaktors in einer jeweiligen Strommesseinrichtung vom Sollfaktor, wird demgegenüber vorteilhaft eine (definierte) Kalibrierspannung mit einem Wert ungleich Null vorgegeben. Insbesondere wenn zuvor ein möglicher Offset-Fehler bereits ermittelt und kompensiert bzw. korrigiert worden ist, lässt sich dann der tatsächliche Verstärkungsfaktor in einfacher Weise als Quotient aus der an der Strommesseinrichtung ermittelten Spannung und der Kalibrierspannung bestimmen und so insbesondere eine Abweichung vom Sollwert des Verstärkungsfaktors ermitteln und korrigieren bzw. kompensieren.
Eine Vorrichtung zur Stromregelung für einen Umrichter, die insbesondere auch zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist, ist durch die Merkmale des Anspruchs 15 charakterisiert. Vorteilhafte Weiterbildungen der Vorrichtung sind in den von Anspruch 15 abhängigen Ansprüchen angegeben.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden bei der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Figuren deutlich werden.
Es zeigen:
1 einen Umrichter mit einer Mehrzahl Ausgängen zum Betrieb eines Motors, an dessen Ausgängen jeweils eine Strommesseinrichtung vorgesehen ist;
2 einen möglichen Aufbau der Strommesseinrichtungen aus 1;
3A ein erstes Ausführungsbeispiel von Umschaltmitteln der Strommesseinrichtung zur wahlweisen Auswertung einer durch den aktuellen Strom erzeugten, an einem Widerstand der Strommesseinrichtung anfallenden Messspannung oder alternativ einer definierten Kalibrierspannung in der Strommesseinrichtung;
3B eine erste Abwandlung der Anordnung aus 3A;
3C eine zweite Abwandlung der Anordnung aus 3A;
4A ein weiteres Ausführungsbeispiel von Umschaltmitteln der Strommesseinrichtung, hier ausgeführt zum Umpolen einer durch den aktuellen Strom erzeugten, an einem Widerstand der Strommesseinrichtung anfallenden Messspannung;
4B eine Weiterbildung der Anordnung aus 4A;
5 ein zusätzliches Ausführungsbeispiel von Umschaltmitteln der Strommesseinrichtung zur wahlweisen Auswertung einer durch den aktuellen Strom erzeugten, an einem Widerstand der Strommesseinrichtung anfallenden Messspannung oder alternativ einer definierten Kalibrierspannung in der Strommesseinrichtung.
In 1 ist ein Umrichter U dargestellt, der eine Mehrzahl Ausgänge („Phasenausgänge“) aufweist, an denen im Betrieb des Umrichters jeweils ein Strom i₁, i₂, i₃ („Phasenstrom“) anliegt. Vorliegend handelt es sich im Ausführungsbeispiel um ein so genanntes „dreiphasiges System“ mit drei Ausgängen des Umrichters U und dementsprechend drei Ausgangs- bzw. Phasenströmen i₁, i₂ und i₃.
Der Umrichter U dient hier zum Betrieb eines Elektromotors M, dem die an den Ausgängen des Umrichters U anliegenden Ströme i₁, i₂, i₃ zugeführt werden.
Weiterhin ist den Ausgängen des Umrichters U jeweils eine Strommesseinrichtung A₁, A₂, A₃ zur Messung des am jeweiligen Ausgang anliegenden Stroms i₁, i₂ und i₃ zugeordnet. Konkret dienen die Strommesseinrichtungen A₁, A₂ und A₃ zur Messung der Ströme i₁, i₂ und i₃ vom jeweiligen Ausgang des Umrichters zum Elektromotor M.
Die von den Strommesseinrichtungen A₁, A₂ und A₃ gemessenen Ströme werden einer dem Umrichter U zugeordneten, vorliegend in den Umrichter U integrierten, Regeleinrichtung zugeführt, um hiermit die an den Ausgängen des Umrichters U anliegenden Ströme i₁, i₂ und i₃ regeln zu können.
Im Normalbetrieb des Umrichters ist die Summe der Ströme i₁, i₂ und i₃ an dessen Ausgängen gleich Null (bzw. vernachlässigbar klein). Tritt im Fehlerfall ein nicht vernachlässigbarer) Summenwert der genannten Ströme i₁, i₂ und i₃ auf, so wird der entsprechende Strom i_E vom Elektromotor M (gegen Erde) abgeleitet.
Allgemein gilt somit:
wobei für ein übliches, dreiphasiges System (n = 3) i_E = i₁ + i₂ + i₃ gilt und wobei im Normalbetrieb des Umrichters i_E = 0 ist. Dieser Normalbetrieb eines dreiphasigen Systems wird nachfolgend beispielhaft angenommen.
Da die Summe der Ströme i₁, i₂ und i₃ an den Ausgängen des Umrichters U einen bekannten Wert aufweist, nämlich (im Normalbetrieb) gleich Null ist bzw. (im Fehlerfall) einen hinter dem Motor M messbaren Wert i_E annimmt, kann zu jedem Zeitpunkt im Betrieb des Umrichters U ein an dessen jeweiligem Ausgang anliegender Strom i₁, i₂ oder i₃ aus den weiteren Strömen bestimmt werden. So gilt vorliegend: i₁ = –i₂ – i_3, i₂ = –i₁ – i_3, i₃ = –i₁ – i₂, wobei hier beispielhaft der Fall zugrunde gelegt wurde, dass sich der Umrichter U im Normalbetrieb befindet, also die Summe der Ströme i₁, i₂ und i₃ an dessen Ausgängen gleich Null ist. Anderenfalls würde gelten: i₁ = i_E – i₂ – i₃ i₂ = i_E – i₁ – i₃ i₃ = i_E – i₁ – i₂.
Somit ist im Normalbetrieb (und auch im Fehlerfall, sofern der vom Motor M abgeleitete Strom i_E gemessen wird) die Messung der Ströme an sämtlichen Ausgängen des Umrichters U (mittels der dortigen Strommesseinrichtungen A₁, A₂ und A₃) redundant. Denn selbst wenn eine der Strommesseinrichtungen A₁, A₂ und A₃ deaktiviert würde, ließe sich der Strom an dem jeweiligen Ausgang U des Umrichters, dessen Strommesseinrichtung deaktiviert ist, immer noch (entsprechend den obigen Gleichungen) aus den an den übrigen Ausgängen gemessenen Strömen bestimmen.
Ein möglicher Aufbau der Strommesseinrichtungen A₁, A₂ und A₃ ist in 2 anhand einer Strommesseinrichtung A_j dargestellt, der (vom Umrichter U) ein entsprechender Strom i_j zugeführt wird. Die Strommesseinrichtung weist einen Widerstand 1 (Mess- bzw. Shunt-Widerstand R_S, z.B. mit einem typischen Wert zwischen 100 µΩ und 10 mΩ) auf, an dem eine vom jeweils zu messenden Strom i_j abhängige Messspannung U_Rs abgegriffen werden kann. Diese wird mittels eines Verstärkers 4 verstärkt und als resultierender (analoger) Spannungswert U_ADC einem Analog-Digital-Umsetzer 5 zugeführt. Die hinter dem Analog-Digital-Umsetzer anliegenden digitalen Spannungsmesswerte m repräsentieren als Messwerte der Strommesseinrichtung A_j den zu messenden Strom i_j („Strommessung“).
Die Versorgungsspannung der Strommesseinrichtung A_j ist vorliegend bezogen auf den so genannten „Messground“ MGND am Messwiderstand 1 der Strommesseinrichtung und kann beispielsweise über einen DCDC-Konverter bereitgestellt werden. Sofern eine Potentialtrennung der Messwerte m auf andere Werte m’ gefordert ist, kann dies durch einen Isolator 6, zum Beispiel in Form eines Optokopplers, erreicht werden.
Eine vergleichbare Strommesseinrichtung ist beispielsweise in der DE 102 37 920 A1 beschrieben.
Im Betrieb einer solchen Strommesseinrichtung kann es zu (systematischen) Messfehlern zum Beispiel dadurch kommen, dass der Verstärkungsfaktor α(t) und der Offset β(t) in der Strommesseinrichtung sich zeitlich ändern. Es gilt danach: U_ADC = U_Rs·α(t) + β(t).
Daher ist es erforderlich, die Strommesseinrichtungen A₁, A₂ und A₃ (regelmäßig) zu kalibrieren, um Messfehler in Form von (zeitlich veränderlichen) Messwertabweichungen von den wahren Messwerten (für die zu messenden Ströme) zu kompensieren bzw. korrigieren zu können.
Hierbei kann der Umstand genutzt werden, dass, wie weiter oben dargelegt, eine Strommessung mittels jeweils zugeordneter Strommesseinrichtungen A₁, A₂ und A₃ für jeden Ausgang des Umrichters U redundant ist, weil sich der Strom i₁, i₂ und i₃ an einem jeweiligen Ausgang des Umrichters U aus den Strömen an den übrigen Ausgängen berechnen lässt.
Daher ist es möglich, im Betrieb des Umrichters U (und damit des Elektromotors M) jeweils eine der Strommesseinrichtungen A₁, A₂ oder A₃ vorübergehend zu deaktivieren und (zur Kompensation bzw. Korrektur von Messfehlern) zu kalibrieren, ohne dass auf eine Bestimmung des Stroms an dem entsprechenden Ausgang des Umrichters U verzichtet werden müsste. Denn dieser lässt sich aus den Strömen an den übrigen Ausgängen des Umrichters U bestimmen.
Zur Kalibrierung einer jeweiligen Strommesseinrichtung A_j kann dieser vorliegend z.B. wahlweise die (vom zu messenden Strom i_j abhängige) am zugehörigen Widerstand 1 abgegriffene Messspannung U_Rs oder alternativ eine durch eine Kalibrierquelle 2 erzeugte Kalibrierspannung U_K zur weiteren Verarbeitung zugeführt werden. Die Kalibrierquelle 2 ist im Ausführungsbeispiel der 2 in die Strommesseinrichtung A_j integriert.
Hierzu sind dem Verstärker 4 der Strommesseinrichtung A_j Umschaltmittel 3, z. B. in Form eines Multiplexers, vorgeschaltet, über die dem Verstärker 4 entweder die am Widerstand 1 abgegriffene Messspannung U_Rs oder die Kalibrierspannung U_K zugeführt werden kann, um hieraus eine resultierende Spannung U_ADC bzw. den entsprechenden digitalen Messwert n zu erzeugen.
Zur Aktivierung der Kalibrierquelle 2 und/oder zur Betätigung der Umschaltmittel 3 ist ein entsprechendes Steuersignal c vorgesehen. Dieses kann wiederum (an einem entsprechenden Eingang der Strommesseinrichtung A_j) durch einen Isolator, z. B. in Form eines Optokopplers, bezüglich eines externen Steuersignals c’ einer Potentialtrennung unterzogen sein.
Zur Bestimmung einer Messwertabweichung in Form eines Offsets wird mittels der Kalibrierquelle 2 eine Kalibrierspannung U_K mit einem bestimmten, vorgebbaren Wert erzeugt, z. B. mit dem Wert U_K = 0V. Diese Kalibrierspannung U_K (z. B. mit dem Wert 0V) wird über die Umschaltmittel 3 (anstelle der Messspannung U_Rs) auf den Eingang des Verstärkers 4 gegeben.
Aus dem obigen Zusammenhang U_ADC = U_K·α(t) + β(t) folgt für den Fall U_K = 0: U_ADC = β(t).
Somit ist der aktuelle (im Allgemeinen zeitabhängige) Wert des Offsets β(t) ermittelt als das aktuell am Ausgang des Verstärkers V anliegende (analoge) Spannungssignal U_ADC bzw. als entsprechender Digitalwert m.
Dies ermöglicht eine Kompensation bzw. Korrektur von Offset-Fehlern, indem von dem an der entsprechenden Strommesseinrichtung A_j bei der Strommessung jeweils ermittelten Spannungswert U_ADC der zuvor ermittelte Offset β(t) abgezogen wird. Es liegt dann in dem hinter dem Verstärker V anliegenden Spannungswert U_ADC kein relevanter Offset mehr vor, so dass U_ADC nunmehr gegeben ist als U_ADC = U_K·α(t).
Wird nun in einer weiteren (zweiten) Messung eine Kalibrierspannung U_K mit einem von Null verschiedenen Referenzwert U_ref herangezogen (U_K = U_ref), so gilt: U_ADC = U_ref·α(t). Hieraus lässt sich der Momentanwert des Verstärkungsfaktors α(t) sofort bestimmen als
Mit nur zwei Messungen können also im Kalibrierbetrieb einer Strommesseinrichtung Aj unter Verwendung jeweils einer definierten Kalibrierspannung U_K, die vorliegend beispielhaft für die erste Messung gleich Null gesetzt wird und für die zweite Messung auf einen von Null verschiedenen Wert U_ref gesetzt wird, der zeitabhängige Offset β(t) sowie die zeitabhängige Abweichung des Verstärkungsfaktors α(t) bestimmt und anschließend bei der Ermittlung der (analogen) Spannungsmesswerte U_ADC bzw. der entsprechenden digitalen Werte n berücksichtigt, also kompensiert bzw. korrigiert werden.
Die Kalibrierung einer jeweiligen Strommesseinrichtung A_j (durch Kompensation bzw. Korrektur von Messwertabweichungen) kann vorliegend im Betrieb des Umrichters U (und somit des Elektromotors M) erfolgen, ohne dass die Messung der Ströme i₁, i₂ und i₃ an den Ausgängen des Umrichters U beeinträchtigt würde. Denn immer dann, wenn sich eine der Strommesseinrichtungen A₁, A₂ oder A₃ im Kalibrierbetrieb befindet und daher bezüglich der Strommessung deaktiviert ist, lässt sich der Strom am entsprechenden Ausgang des Umrichters U, wie oben dargelegt, aus dem von den anderen Strommesseinrichtung gemessenen Strömen an den übrigen Ausgängen des Umrichters U bestimmen.
So kann jede der Strommesseinrichtungen A₁, A₂ und A₃ im Betrieb des Systems (also des Umrichters U und des Elektromotors M) in bestimmten (variablen oder auch festen) zeitlichen Abständen kalibriert werden, um Messfehler (Messwertabweichungen) zu kompensieren bzw. korrigieren. Dies kann (z. B. abwechselnd) für jede einzelne der Strommesseinrichtungen A₁, A₂ und A₃ erfolgen, während sich die weiteren Strommesseinrichtungen jeweils im Messbetrieb befinden, also weiterhin die Ermittlung der Ströme i₁, i₂ und i₃ an sämtlichen Ausgängen des Umrichters U möglich ist.
Die Kalibrierung der Strommesseinrichtungen A₁, A₂ und A₃ im Betrieb des Systems kann in vielen Fällen in vergleichsweise großen zeitlichen Abständen, z.B. von etwa einer Minute, erfolgen, da die zu kompensierenden Messwertabweichungen regelmäßig auf Temperaturänderungen beruhen, die typischerweise auf der genannten Zeitskala erfolgen. Bei Bedarf kann aber auch in (beliebigen) anderen, insbesondere kürzeren, zeitlichen Abständen kalibriert werden.
Im Ergebnis wird also eine (z. B. zyklisch) wiederkehrende Kalibrierung jeder der Strommesseinrichtungen A₁, A₂ und A₃ ohne Unterbrechung des Betriebs des Umrichters U (und damit des Elektromotors M) ermöglicht.
In den 3A bis 3C sind nachfolgend unterschiedliche Ausführungsbeispiele von Umschaltmitteln dargestellt, um in einer jeweiligen Strommesseinrichtung wahlweise die an einem Messwiderstand 1 anfallende und vom zu messenden Strom i_j abhängige Messspannung U_Rs oder eine hiervon verschiedene Kalibrierspannung U_K, vergleiche 2, bearbeiten zu können. Die 3A bis 3C zeigen dabei speziell drei unterschiedliche Konfigurationen, um wahlweise die über den Messwiderstand 1 anfallende Spannung oder einen Spannungswert von 0V als Kalibrierspannung zu verarbeiten, indem die eine oder andere Spannung dem Verstärker 4 der Strommesseinrichtung zugeführt wird.
Gemäß dem Ausführungsbeispiel der 3A ist parallel zum Verstärker 4, genauer zu dessen Eingang, ein Widerstand 31 geschaltet. Über diesen Eingang des Verstärkers 4 wird auch die am Messwiderstand 1 (in Abhängigkeit vom zu messenden Strom i_j) anliegende Messspannung abgegriffen, wobei der zusätzliche parallel zu Verstärker 4 geschaltete Widerstand 31 die Messung einer an dem erstgenannten Widerstand 1 gemessenen Spannung nur vernachlässigbar beeinflusst.
Mittels eines Schalters 30, der zwischen den Messwiderstand 1 und den Verstärker 4 geschaltet ist, lässt sich der Messwiderstand 1 von dem Verstärker 4 entkoppeln (indem der in 3A in geschlossenem Zustand gezeigte Schalter 30 geöffnet wird). Bei geöffnetem Schalter 30 liegt am Eingang des Verstärkers 4 eine Spannung von 0 V (Kalibrierspannung) an, so dass die am Ausgang des Verstärkers 4 anliegende Spannung U_ADC unmittelbar den so genannten Offset β(t) repräsentiert, der damit in geeigneter Weise kompensiert werden kann.
Beim Ausführungsbeispiel gemäß 3B ist parallel zu dem Eingang des Verstärkers 4, über welchen die am Messwiderstand 1 anliegende Spannung abgegriffen wird, ein Schalter 32 angeordnet (geschaltet). In geöffnetem Zustand des Schalters 32, wie in 3B dargestellt, liegt am Eingang des Verstärkers 4 die am Messwiderstand 1 abgegriffene (vom zu messenden Strom i_j abhängige) Spannung an. Wird der Schalter 32 geschlossen, so liegt demgegenüber am Eingang des Verstärkers 4 eine definierte Kalibrierspannung von 0 V an (wenn der Schalter 32 hinreichend niederohmig ausgeführt ist). Ein zwischen den Messwiderstand 1 und den Schalter 32 geschalteter zusätzlicher Widerstand 33 reduziert dabei den Querstrom, der über den (geschlossenen) Schalter 32 fließt.
Beim Ausführungsbeispiel der 3C ist der gemäß 3B zwischen dem Messwiderstand 1 und dem parallel zum Verstärker 4 angeordneten Schalter 32 vorgesehene zusätzliche Widerstand 33 ersetzt durch einen weiteren Schalter 34, der mit dem parallel zu Verstärker 4 liegenden Schalter 32 einen Wechselschalter bildet. Hierdurch kann beim Schließen des parallel zum Verstärker 4 angeordneten Schalters 32 wegen des hiermit verbundenen Öffnens des zwischen dem Messwiderstand 1 und dem erstgenannten Schalter 32 vorgesehenen weiteren Schalters 34 ein möglicher Querstrom unterbunden werden.
Bei der Anordnung nach 4A ist zwischen den Messwiderstand 1 und den Verstärker 4 ein zweipoliger Wechselschalter 36a, 36b geschaltet, mittels dessen die vom Messwiderstand 1 abgegriffene und am Eingang des Verstärkers 4 anliegende Messspannung zur Kalibrierung der Strommesseinrichtung umgepolt werden kann. Nimmt man für eine jeweilige (sehr kurze) Kalibrierzeit einen konstanten (zu messenden) Strom i_j an, so unterscheidet sich die vom Messwiderstand 1 abgegriffene Messspannung am Eingang des Verstärkers 4 in den beiden möglichen Schaltfällen des Wechselschalters 36a, 36b nur im Vorzeichen. Durch Addition der in den beiden Schaltfällen jeweils am Ausgang des Verstärkers 4 anliegenden Spannung U_ADC und Division des Ergebnisses durch Zwei lässt sich dann unmittelbar der Offset β(t) ermitteln. (Hierbei wird ferner vorausgesetzt, dass die Kennlinie des Verstärkers 4 punktsymmetrisch zum Ursprung ist. Außerdem sollte sich der Strom im Zeitraum zwischen den beiden Messungen/Schaltfällen nicht substanziell ändern, da eine solche Stromänderung fälschlich als Offset interpretiert würde; dies ist z.B. mit Schaltfrequenzen von mehr als 100 kHz bis zu etwa 1MHz erreichbar.)
4B zeigt eine Weiterbildung der Anordnung aus 4A, bei der dem Verstärker 4 am Ausgang ein Umpoler 40 (schaltbarer Offset-freier Inverter) nachgeschaltet ist. Hierdurch weist die hinter dem Verstärker 4 und dem Umpoler 40 anliegende Spannung U_ADC in beiden Schaltfällen des Wechselschalters 36a, 36b jeweils das gleiche Vorzeichen auf. Zur Ermittlung des Offsets muss dann – anstelle der Summe der in beiden Schaltfällen resultierenden ausgangsseitigen Spannungen U_ADC – die Differenz der in beiden Schaltfällen resultierenden Spannungen U_ADC gebildet werden.
Konkret unterscheidet sich bei einem in der jeweiligen Kalibrier- bzw. Messzeit konstanten Strom i_j die ausgangsseitige Spannung U_ADC in den beiden Schaltfällen durch die Offset-Spannung: Im einen Schaltfall ist die ausgangsseitige, verstärkte Spannung um den Offset zu groß und im anderen Fall um den Offset zu klein. Ein über die Kalibrier- bzw. Messzeit den Mittelwert der ausgangsseitigen Spannung U_ADC bildender Analog-/Digital-Umsetzer kann den Offset zu Null korrigieren, so dass die Kalibrierung der Strommesseinrichtung gleichzeitig mit der Strommessung erfolgen kann. Es ist also bei einer solchen Anordnung nicht erforderlich, eine jeweilige Strommesseinrichtung während des Kalibrierens hinsichtlich der Strommessung zu deaktivieren.
5 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem in einer Strommesseinrichtung wahlweise die über dem Messwiderstand 1 abfallende (von dem zu messenden Strom i_j abhängige) Spannung oder eine Kalibrierspannung mit einem ersten Wert, vorliegend eine Kalibrierspannung von 0 V, oder eine Kalibrierspannung mit einem zweiten Wert, vorliegend mit dem Wert U_Ref, bearbeitet werden kann. Hierzu wird wahlweise einer der drei vorliegend genannten Spannungswerte an den Eingang des Verstärkers 4 gelegt.
Konkret umfasst die in 5 ausschnittsweise gezeigte Strommesseinrichtung einen Schalter 38 in Form eines Umschalters, durch dessen Betätigung wahlweise die über dem Messwiderstand 1 abfallende Spannung oder eine an einer Kalibrierquelle 2 zur Verfügung gestellte Spannung der weiteren Verarbeitung in der Strommesseinrichtung zugeführt werden kann, also vorliegend an den Eingang des Verstärkers 4 gelegt wird.
Weiterhin ist der Kalibrierquelle 2 ein Schalter 20 in Form eines weiteren Umschalters zugeordnet, mit dem die von der Kalibrierquelle 2 zur Verfügung gestellte Spannung zwischen einem ersten Spannungswert, vorliegend einem Spannungswert von 0 V, und einem zweiten Spannungswert, vorliegend einer von Null verschiedenen Referenzspannung U_ref, hin und her geschaltet werden kann.
Wird über den einen Schalter 38 die am Messwiderstand 1 abfallende Spannung der weiteren Verarbeitung in der Positionsmesseinrichtung zugeführt, also vorliegend an den Eingang des Verstärkers 4 gelegt, so dient dies der Ermittlung des zu messenden Stromes i_j. Wird demgegenüber mit jenem Schalter 38 eine an der Kalibrierquelle 2 zur Verfügung gestellte Spannung der weiteren Verarbeitung zugeführt, also im Ausführungsbeispiel an den Eingang des Verstärkers 4 gelegt, so dient dies einer Kalibrierung der Strommesseinrichtung. Wird dabei eine Kalibrierspannung von 0 V angelegt, so erlaubt dies insbesondere eine einfache Bestimmung und Kompensation des (Spannungs-)Offsets, wie weiter oben im Einzelnen dargelegt. Nachfolgend kann dann mittels einer von Null verschiedenen Kalibrierspannung U_ref in einfacher Weise der aktuelle Verstärkungsfaktor bestimmt werden, um Abweichungen vom Soll-Verstärkungsfaktor zu korrigieren.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102004040051 A1 [0003]
DE 10237920 B3 [0011]
DE 10237920 A1 [0036]

Claims

Verfahren zur Stromregelung für einen Umrichter, bei dem an Ausgängen des Umrichters (U) von Strommesseinrichtungen (A₁, A₂, A₃) der jeweilige Phasenstrom (i₁, i₂, i₃) gemessen wird und einer dem Umrichter (U) zugeordneten Regeleinrichtung zur Regelung der Phasenströme (i₁, i₂, i₃) zugeführt wird und bei dem wiederkehrend eine Korrektur von Messfehlern der Strommesseinrichtungen (A₁, A₂, A₃) vorgenommen wird, dadurch gekennzeichnet, dass zur Korrektur von Messfehlern die Strommesseinrichtungen (A₁, A₂, A₃) einzeln kalibriert werden, während sich die weiteren Strommesseinrichtungen (A₂, A₃; A₁, A₃; A₂, A₃) im Messbetrieb befinden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Strommesseinrichtungen (A₁, A₂, A₃) im Betrieb des Umrichters (U) wiederkehrend kalibriert werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Messfehler ein Offset-Fehler und/oder ein Verstärkungsfehler der jeweiligen Strommesseinrichtung (A₁, A₂, A₃) durch Kalibrierung korrigiert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine jeweilige Strommesseinrichtung (A₁, A₂, A₃) während ihrer Kalibrierung für die Strommessung deaktiviert ist, also keine Messwerte des zugehörigen Phasenstromes (i₁, i₂, i₃) ermittelt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während der Kalibrierung einer jeweiligen Strommesseinrichtung (A₁, A₂, A₃) der zugehörige Phasenstrom (i₁, i₂, i₃) aus den von den weiteren Strommesseinrichtungen gemessenen Phasenströmen berechnet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Strommessung mittels einer jeweiligen Strommesseinrichtung (A₁, A₂, A₃) eine Messspannung (U_Rs) verarbeitet wird, die in Abhängigkeit von dem jeweils zu messenden Phasenstrom (i₁, i₂, i₃) an einem Widerstand (1) der Strommesseinrichtung (A₁, A₂, A₃) abfällt.
Strommesseinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zur Kalibrierung einer jeweiligen Strommesseinrichtung (A₁, A₂, A₃) eine Kalibrierspannung (U_K) verarbeitet wird, die separat von der Messspannung (U_Rs) erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass einer jeweiligen Strommesseinrichtung (A₁, A₂, A₃) Umschaltmittel (3) zugeordnet sind, mittels derer wahlweise die Messspannung (U_Rs) oder die Kalibrierspannung (U_K) einer Verarbeitung in der Strommesseinrichtung (A₁, A₂, A₃) zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass zum Kalibrieren einer jeweiligen Strommesseinrichtung (A₁, A₂, A₃) die Kalibrierspannung (U_K) auf einen vorgebbaren, festen Wert gesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 3 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass zur Korrektur eines Offset-Fehlers die Kalibrierspannung (U_K) auf den Wert 0 V gesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 3 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung eines Verstärkungsfehlers die Kalibrierspannung (U_K) auf einen von Null verschiedenen Wert (U_ref) gesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine jeweilige Strommesseinrichtung (A₁, A₂, A₃) während der Kalibrierung weiterhin den zugehörigen Phasenstrom (i₁, i₂, i₃) misst.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass zur Kalibrierung einer jeweiligen Strommesseinrichtung (A₁, A₂, A₃) die an deren Widerstand (1) abfallende Messspannung (U_Rs) mindestens einmal umgepolt wird, um hieraus Messwertabweichungen in der Strommesseinrichtung zu ermitteln.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass über den Umrichter (U) ein Elektromotor (M) betrieben wird.
Vorrichtung zur Stromregelung für einen Umrichter, mit – einer Mehrzahl Strommesseinrichtungen (A₁, A₂, A₃), die zur Messung des jeweiligen Phasenstromes (i₁, i₂, i₃) hinter je einen Ausgang des Umrichters (U) geschaltet sind, so dass jedem Ausgang des Umrichters (U) mindestens eine der Strommesseinrichtungen (A₁, A₂, A₃) zugeordnet ist, – einer dem Umrichter (U) zugeordneten Regeleinrichtung, der die an den Strommesseinrichtungen (A₁, A₂, A₃) gemessenen Phasenströme zur Stromregelung zugeführt werden, und – Kalibriermitteln einer jeweiligen Strommesseinrichtung (A₁, A₂, A₃), mittels derer Korrekturen von Messfehlern vorgenommen werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Kalibriermittel einer jeweiligen Strommesseinrichtung (A₁, A₂, A₃) Umschaltmittel (3) umfassen, mittels derer für jede Strommesseinrichtung (A₁, A₂, A₃) einzeln wahlweise eine vom zu messenden Phasenstrom (i₁, i₂, i₃) abhängige Messspannung oder eine separat hiervon erzeugte Kalibrierspannung (U_K) der weiteren Verarbeitung in der Strommesseinrichtung (A₁, A₂, A₃) zugeführt wird, während die weiteren Strommesseinrichtungen im Messbetrieb arbeiten.
Vorrichtung nach Anspruch 15 ausgebildet und vorgesehen zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 14.