DE102013018859A1 - Method for synchronizing a control electronics to a rotating motor with sinusoidal control - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung beschreibt ein Verfahren zur Synchronisation, das bei der Ansteuerung von möglicherweise bereits bewegten Elektromotoren zur Verwendung kommt- Dabei werden die Motoren mit mindesten einer Halbbrücke über je eine gesteuerte Anschlussleitung angesteuert. Bei der Ansteuerung der Halbbrücke ist eine Totzeit (6) im zugehörigen Ansteuersignal vorgesehen. In einem ersten Fall ist die Totzeit (6) zu Beginn des Synchronisationsprozesses von der Totzeit (6) zum Ende des Synchronisationsprozesses verschieden. In einem zweiten Fall ist die Totzeit (6) zu einem früheren Zeitpunkt des Synchronisationsprozesses als das Ende des Synchronisationsprozesses von der Totzeit (6) zum Ende des Synchronisationsprozesses verschieden.The invention describes a method for synchronization, which is used in the control of possibly already moving electric motors for use. The motors are actuated with at least one half-bridge via a respective controlled connection line. When driving the half-bridge, a dead time (6) is provided in the associated drive signal. In a first case, the dead time (6) at the beginning of the synchronization process is different from the dead time (6) at the end of the synchronization process. In a second case, the dead time (6) at an earlier time of the synchronization process than the end of the synchronization process is different from the dead time (6) at the end of the synchronization process.
Description
Einleitungintroduction
Die Ansteuerung von Permanentmagnet-erregten Synchronmaschinen (PMSM) ist eine Aufgabe, bei der stets ein Drehfeld erzeugt werden muss, das bezüglich seiner Phasenlage, Amplitude und Feldfrequenz in einem fest vorgeschriebenen Zusammenhang zum Rotorfeld der Maschine steht. Es existiert eine Reihe von Verfahren zur Generierung eines entsprechenden Drehfeldes im Stand der Technik. Diese lösen die Aufgabe der Ansteuerung im stationären Betrieb, bei Last- und Drehzahlwechseln sowie beim Start aus dem Stillstand mehr oder weniger gut.The control of permanent magnet-excited synchronous machines (PMSM) is a task in which always a rotating field must be generated, which is in terms of its phase position, amplitude and field frequency in a fixed prescribed relationship to the rotor field of the machine. There are a number of methods for generating a corresponding rotating field in the prior art. These solve the task of control in stationary operation, with load and speed changes and when starting from standstill more or less well.
Ein größeres Problem im Stand der Technik stellt jedoch heute noch das Aufsynchronisieren auf eine sich bereits drehende Maschine dar. In diesem Betriebsfall erfolgt keine Ansteuerung. Die Anschlüsse der Maschine sind hochohmig und die Maschine dreht sich bereits entweder durch Fremdantrieb oder durch ihre Massenträgheit. Solche Betriebsfälle tauchen beispielsweise bei Windkraftanlagen, Kühlventilatoren oder Motoren die Fahrzeuge antreiben auf. Im ersteren Fall wird die Windkraftanlage beispielsweise durch den Wind bereits in Bewegung versetzt. Bei Kühlventilatoren kann dies beispielsweise durch den Fahrtwind des Fahrzeugs geschehen. Bei Elektrofahrzeugen kann dies beispielsweise der Betriebsfall der Zuschaltung des Elektroantriebs bei einem sich bereits bewegendem Fahrzeug sein.However, a major problem in the prior art still today is the synchronization with an already rotating machine. In this operating case, no activation takes place. The connections of the machine are high-impedance and the machine is already turning either by external drive or by their inertia. Such operating cases occur, for example, in wind turbines, cooling fans or engines that drive vehicles. In the former case, the wind turbine is already set in motion, for example by the wind. For cooling fans, this can be done for example by the wind of the vehicle. In electric vehicles, this can be, for example, the operating case of the connection of the electric drive in an already moving vehicle.
Die im Folgenden beschriebenen Probleme treten typischerweise beim Aufsynchnonisieren auf eine sich drehende Maschine bei sinusförmiger Ansteuerung auf. Dieser Fall kann z. B. bei Kühlerlüftern, Klimalüftern und diversen Pumpen auftreten, aber auch in anderen Anwendungen wie z. B. Klimaklappensteuerungen im Hausbereich.The problems described below typically occur during spin-up on a rotating machine with sinusoidal drive. This case can z. B. in radiator fans, air conditioners and various pumps, but also in other applications such. B. Climate flap controls in the home.
Das Erzeugen einer phasen- und frequenzrichtigen Ansteuerung stellt dabei an sich kein Problem dar, da beides entweder durch Auswertung von Sensorsignalen oder z. B. rückgemessenen Spannungen hinreichend genau ermittelt werden kann.The generation of a phase and frequency-correct control is not a problem in itself, since both either by evaluation of sensor signals or z. B. re-measured voltages can be determined with sufficient accuracy.
Die Erzeugung der korrekten Amplitude für eine sanfte Übernahme der Motorkontrolle durch die Ansteuerungsschaltung ist jedoch noch ein Problem. Speziell bei Maschinen mit hoher Leistung und geringem Innenwiderstand führen bereits sehr geringe Abweichungen der Ansteueramplitude gegenüber der durch den Motor vorgegebenen Amplitude zu starken Stromanstiegen während des Übergangs vom hochohmigen Zustand des Motors in den normalen angesteuerten Zustand. Der steile Stromanstieg wiederum führt zu starken Spannungsänderungen in der Versorgungsspannung sowie zu starken Drehmomentwechseln und ggf. zu Geräuschen, die beispielsweise bei der Verwendung im Kfz stören. Die somit parasitär möglichen starken Drehmomentwechsel wiederum können zur Schädigung des mechanischen, an den Motor angeschlossenen Systems führen. In bestehenden Systemen zur Ansteuerung wird z. B. durch Messung der Amplitude oder auch Berechnung aus der Felddrehzahl unter Nutzung von im Speicher des Systems abgelegten Konstanten versucht, im Übernahmezeitpunkt eine möglichst genaue Amplitude zu erzeugen. Jedoch gelingt dies nicht immer, was zu den bereits genannten, teilweise inakzeptablen Effekten führt.However, generating the correct amplitude for a smooth takeover of motor control by the drive circuit is still a problem. Especially in machines with high performance and low internal resistance even very small deviations of the driving amplitude compared to the predetermined amplitude by the motor to strong current increases during the transition from the high-impedance state of the engine in the normal controlled state. The steep rise in current in turn leads to strong voltage changes in the supply voltage and to strong torque changes and possibly to noise that interfere, for example, when used in the car. The thus possible strong parasitic torque changes in turn can lead to damage to the mechanical system connected to the engine. In existing systems for controlling z. B. by measuring the amplitude or calculation from the field speed using stored in the memory of the system constants trying to produce the highest possible amplitude in the acquisition time. However, this does not always succeed, leading to the already mentioned, partially unacceptable effects.
Das zuvor beschriebene Problem wird für eine sinusförmige Ansteuerung derzeit noch nicht gelöst.The problem described above is currently not solved for a sinusoidal control.
Aufgabe der ErfindungObject of the invention
Aufgabe ist es, eine Möglichkeit der Aufsynchnonisierung bei sinusförmiger Ansteuerung zu schaffen, welches keines der o. g. Probleme aufweist und diese somit vermeidet. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 und eine Ansteuerung nach Anspruch 13 und eine Maschine nach Anspruch 14 gelöst.The task is to create a possibility of up-synchronization in sinusoidal control, which none of the o. G. Has problems and thus avoids them. This object is achieved by a method according to
Erfindungsbeschreibunginvention description
Die Erfindung erlaubt im Gegensatz zum Stand der Technik ein störungsfreies Aufsynchronisieren auf einen sich bereits drehenden Motor. Darüber hinaus kann in der Ansteuerung die sonst nötige Parametrierung der Motorkonstante eingespart werden. Die Erfindung wird im Folgenden erläutert.The invention allows in contrast to the prior art, a trouble-free synchronization on an already rotating engine. In addition, the otherwise necessary parameterization of the motor constant can be saved in the control. The invention will be explained below.
Es ist der wesentliche erfinderische Gedanke, der in dieser Beschreibung offenbart wird, die oben beschriebene Aufgabe durch Verwendung eines speziellen Verfahrens zu lösen, das während des Aufsynchronisierens die Totzeit verändert.It is the essential inventive idea disclosed in this specification to solve the above-described problem by using a special method which changes the dead time during the synchronization.
Dies wird im Folgenden näher erläutert: Bei der Ansteuerung von Halbbrücken wird eine Totzeit benutzt, um Querstrom durch den High-Side-Treibertransistor und den Low-Side-Treibertransistor während der Übergangsphasen beim Schalten zu vermeiden. Ein solcher Querstrom würde zu einer unnötigen Erhitzung und/oder gar Zerstörung der Halbbrücke führen, was nur durch eine belastbarere Auslegung und damit eine Verteuerung der Halbbrücke vermieden werden könnte. Diese Totzeit, in der die Ansteuerung zur Vermeidung eines Querstroms ausgesetzt wird, wird gemäß des Standes der Technik minimiert, da sie Abweichungen zwischen dem gewünschten und dem tatsächlichen Tastverhältnis verursacht. Die Abweichung des tatsächlichen Tastverhältnisses hängt dabei wiederum von der Laststromrichtung ab.This is explained in more detail below: When driving half-bridges, a dead time is used to avoid cross-current through the high-side driver transistor and the low-side driver transistor during the transition phases during switching. Such a cross-flow would lead to unnecessary heating and / or even destruction of the half-bridge, which could only be avoided by a more robust design and thus an increase in the price of the half-bridge. This dead time, in which the drive is exposed to avoid a cross-flow is minimized according to the prior art, since it causes deviations between the desired and the actual duty cycle. The deviation of the actual duty cycle in turn depends on the load current direction.
Diesen Effekt nutzt das erfindungsgemäße Verfahren zur Aufsynchnonisierung aus. Es erzeugt zu Beginn des Prozesses zur Aufsynchronisierung der Ansteuerung auf eine sich möglicher Weise bereits drehende Maschine entgegen den Verfahren aus dem Stand der Technik, die die Totzeit typischerweise minimieren, eine bewusst deutlich erhöhte Totzeit. Der nach dem Stand der Technik dadurch erzeugte „Fehler” des Tastverhältnisses wird im Verfahren als „Unsicherheit” der Ausgangsspannung verwendet. Diese „Unsicherheit” wird im Verfahren so eingestellt, dass sie im Moment des Aufsynchronisierens mindestens so groß ist, wie die Unsicherheit, die die zu erzeugende Ausgangsspannung z. B. aufgrund von Messfehlern und Parametrierungsfehlern bereits hat. Ziel ist es also, mittels einer künstlich stark vergrößerter Totzeit eine Ausgangsspannung mit einem „Unsicherheitsbereich” so zu erzeugen, dass die tatsächliche, zu erzeugende, exakte Ausgangsspannung innerhalb dieses „Unsicherheitsbereiches” liegt. Anschließend wird die Totzeit langsam bis zum minimal möglichen Wert verringert. This effect is exploited by the process according to the invention for upconnauterization. It generates at the beginning of the process for synchronization of the control in a possible way already rotating machine against the method of the prior art, which typically minimize the dead time, a deliberately significantly increased dead time. The "error" of the duty cycle generated according to the prior art is used in the method as "uncertainty" of the output voltage. This "uncertainty" is set in the process so that it is at least as large at the moment of Aufsynchronisieren as the uncertainty that the output voltage to be generated z. B. due to measurement errors and parameterization errors already has. The aim is thus to generate an output voltage with an "uncertainty range" by means of an artificially greatly increased dead time in such a way that the actual, exact output voltage to be generated lies within this "uncertainty range". Subsequently, the dead time is slowly reduced to the minimum possible value.
Dieser minimal mögliche Wert wird erkannt, wenn der Wert eines Registers, das die aktuelle Totzeit enthält, einen vorher parametrierten Wert, der an anderer Stelle, z. B. einem anderen Register, abgelegt wurde, nicht mehr überschreitet. Dieser parametrierte Wert ist nur von der Dimensionierung der Halbbrücken und nicht von der Last bzw. dem Motor abhängig. Natürlich ist es beispielsweise auch denkbar, diesen Zielwert analog von außen oder fest einzustellen und diesen von außen vorgegebenen vorher parametrierten Wert mit dem Wert des Registers zu vergleichen. Statt einer digitalen Lösung ist hier selbstverständlich auch eine rein analoge Lösung möglich.This minimum possible value is recognized when the value of a register containing the current dead time has a previously parameterized value that is elsewhere, eg. B. another register, was stored, no longer exceeds. This parameterized value depends only on the dimensioning of the half-bridges and not on the load or the motor. Of course, it is also conceivable, for example, to set this target value analogously from the outside or fixed and to compare this externally predefined value with the value of the register. Of course, instead of a digital solution, a purely analogue solution is also possible.
Durch die langsame Verringerung wird eine kontinuierliche Übernahme mit sanftem Strom- und Drehmomentenverlauf ermöglicht.The slow reduction allows a continuous transfer with gentle current and torque characteristics.
Darüber hinaus erlaubt dieses Verfahren die Einsparung der aufwändigen Parametrierung des Motors, so dass z. B. ohne Einmessvorgänge in der Produktion oder bei der Inbetriebnahme einfach bei drehendem Motor die ungefähre Amplitude gemessen werden kann und die Aufsynchronisation mit einer entsprechenden sehr großen Totzeit gestartet werden kann.In addition, this method allows the saving of the complex parameterization of the engine, so that z. B. without Einmessvorgänge in production or during commissioning simply with a rotating motor, the approximate amplitude can be measured and the synchronization can be started with a corresponding very large dead time.
Das Gesamtsystem zeigt somit einen kontinuierlichen Drehmomenten- und Stromverlauf beim Aufsynchronisieren der Ansteuerung auf eine drehende MaschineThe overall system thus shows a continuous torque and current profile when synchronizing the control to a rotating machine
Darüber hinaus können einige maschinenspezifische Parametrierungen eingespart werden und durch eine universelle Parametrierung der Totzeitgenerierung ersetzt werden.In addition, some machine-specific parameterizations can be saved and replaced by a universal parameterization of deadtime generation.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird in typischen Anwendungsfällen vorzugsweise so durchgeführt, dass zunächst nur die Unsicherheit der Amplitude ausgeglichen wird. Typischerweise ist eine Synchronisation der Phase ein geringeres Problem. Diese Synchronisation der Phase kann beispielsweise durch Zeitmessungen zwischen den Nulldurchgängen der rückgemessenen Spannungen an den Motorklemmen geschehen. Trotzdem ist eine vergrößerte Totzeit auch sehr gut geeignet, Unsicherheiten in der Phase auszugleichen. Da man davon ausgehen kann, dass ein sich bereits drehender Motor seine Drehzahl mit Sicherheit ändert. Dies kann beispielsweise durch ein äußeres Bremsmoment oder gar Momentenschwankungen verursacht sein. Typischerweise kann ein solches Ausgangssignal dann immer erst nach einer entsprechenden Zeitmessung erzeugt werden. Dadurch ist auch ein geringer Phasenunterschied zwischen Ausgangsspannung und Motorspannung zu erwarten.The inventive method is preferably carried out in typical applications, that initially only the uncertainty of the amplitude is compensated. Typically, phase synchronization is a minor problem. This synchronization of the phase can be done for example by time measurements between the zero crossings of the back-measured voltages at the motor terminals. Nevertheless, an increased dead time is also very well suited to compensate for uncertainties in the phase. Since one can assume that an already rotating engine changes its speed with certainty. This can be caused for example by an external braking torque or even torque fluctuations. Typically, such an output signal can then always be generated only after a corresponding time measurement. As a result, a small phase difference between output voltage and motor voltage is to be expected.
Es ist dem Fachmann offensichtlich, dass es auf Basis des Verfahrens möglich ist, eine Vorrichtung zu betreiben, die das zuvor beschriebene Verfahren ausführt. Dabei kann die Verringerung der Totzeit (
Auf diese Weise kann eine Ansteuerung für eine permanentmagnet-erregte Synchronmaschine konstruiert werden, bei der die Verringerung der Totzeit eines Ausgangssignals einer Halbbrücke und die Korrektur von Phase/Amplitude dieses Ausgangssignals gleichzeitig erfolgen.In this way, a drive for a permanent-magnet-excited synchronous machine can be constructed in which the reduction of the dead time of an output signal of a half-bridge and the correction of phase / amplitude of this output signal occur simultaneously.
Diese Ansteuerung kann Teil einer elektrischen Maschine sein, die typischerweise eine permanentmagnet-erregte Synchronmaschine ist.This control can be part of an electrical machine, which is typically a permanent-magnet-excited synchronous machine.
Die Erfindung wird anhand der beigefügten beispielhaften schematisch vereinfachter Figuren weiter erläutert.The invention will be further elucidated with reference to the attached exemplary schematically simplified figures.
Hierbei zeigen die Figuren:Here are the figures:
Fig. 1Fig. 1
Die dritte Kurve
Fig. 2Fig. 2
Die siebte Kurve (
Zwischen den Ansteuerimpulsen der Halbbrücke ergibt sich ein Zeitraum, in dem weder das Ansteuersignal des Leistungsschalters für die negative Versorgungsspannung (Low-Side-Treiber) noch das Ansteuersignal des Leistungsschalters für die positive Versorgungsspannung (High-Side-Treiber) aktiv sind. Dieser Zeitraum ist die Totzeit (
Fig. 3Fig. 3
Ein Stromrichtungswechsel führt zu einem Wechsel des tatsächlichen Verlaufs zwischen unterer und oberer Grenze. Werte innerhalb des schraffierten Bereichs werden angenommen, wenn der Ausgangstrom den Wert Null hat oder während ein Stromrichtungsübergang stattfindet.A change of current leads to a change in the actual course between lower and upper limit. Values within the hatched area are assumed when the output current is zero or during a current direction transition.
Fig. 4Fig. 4
Das erfindungsgemäße Verfahren nutzt dieses bisher unerwünschte Verhalten aus, um während der Aufsynchronisation einen sanft ansteigenden Motorstrom und damit ein sanft ansteigendes Drehmoment zu erzeugen. Dazu wird zu Beginn der Aufsynchronisation eine sehr große Totzeit gewählt. Diese sorgt für einen entsprechend großen Unsicherheitsbereich (
Erfindungsgemäß kann der Unsicherheitsbereich auch ausgenutzt werden, um verbleibende Unsicherheiten bezüglich der Phase der zu generierenden Ausgangsspannung mit einzuschließen.According to the invention, the uncertainty range can also be exploited to include remaining uncertainties with respect to the phase of the output voltage to be generated.
Im Verlauf der Synchronisation wird die Totzeit erfindungsgemäß langsam und schrittweise verringert, bis sie den Zielwert erreicht hat.In the course of the synchronization, the dead time according to the invention is slowly and gradually reduced until it has reached the target value.
Erfindungsgemäß kann auch erst die Amplitude und oder Phase der Ausgangsspannung zunächst kontinuierlich korrigiert werden, bis ein bestimmter Laststrom fließt oder ein bestimmtes Lastmoment erzeugt ist, bevor die Totzeit verringert wird. Dies kann so geschehen, dass während der Verringerung der Totzeit keine Vorzeichenwechsel im Lastmoment generiert werden.According to the invention, first the amplitude and or phase of the output voltage can first be continuously corrected until a specific load current flows or a specific load torque is generated before the dead time is reduced. This can be done so that during the reduction of the dead time no sign changes are generated in the load torque.
Darüber hinaus kann die Verringerung der Totzeit auch zu jedem beliebigen Zeitpunkt unterbrochen werden, um Amplitude/Phase anzupassen und die Totzeit danach weiter zu verringern.In addition, the reduction in dead time can also be interrupted at any time to adjust amplitude / phase and then further reduce the dead time thereafter.
Erfindungsgemäß können auch die Verringerung der Totzeit und die Korrektur von Phase/Amplitude gleichzeitig erfolgen.According to the invention, the reduction of the dead time and the correction of phase / amplitude can take place simultaneously.
Fig. 5Fig. 5
Entsprechend gering ist der noch verbleibende Unsicherheitsbereich am Ende des Aufsynchronisationsprozesses (
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