DE102014010362B4

DE102014010362B4 - Stromsteuervorrichtung eines Synchronmotors

Info

Publication number: DE102014010362B4
Application number: DE102014010362.5A
Authority: DE
Inventors: Kenji Takahashi
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 2013-07-18
Filing date: 2014-07-11
Publication date: 2016-06-02
Anticipated expiration: 2034-07-12
Also published as: US9225270B2; DE102014010362A1; JP5717808B2; US20150022127A1; CN104300860A; JP2015023661A; CN104300860B

Abstract

Stromsteuervorrichtung für einen Synchronmotor, die einen Strombefehl in einer vorgegebenen Tastperiode auf Basis eines orthogonalen dq-Koordinatensystems generiert, folgendes aufweisend: eine Berechnungseinheit (16) für einen vorläufigen d-Phasen-Strombefehl, die einen vorläufigen d-Phasen-Strombefehl IDtmp unter Verwendung eines Drehmomentbefehls TCMD, eines Stromes ohne Last IDMIN und eines Stromes mit maximaler Last IDMAX berechnet nach der Formel: IDtmp = IDMIN + (IDMAX – IDMIN)·TCMD;eine Spannungsamplitudenberechnungseinheit (12), die einen Spannungsbefehlsvektor gewinnt, welcher in der der gerade laufenden Tastperiode vorangehenden Tastperiode durch die Stromsteuerung abgegeben worden ist, und die eine Größe des Spannungsbefehlsvektors berechnet; eine Spannungsverhältnisberechnungseinheit (14), welche ein Spannungsverhältnis zwischen der Größe des Spannungsbefehlsvektors und einer maximalen Ausgangsspannung eines Verstärkers bestimmt; einen Filter (13) zum Entfernen einer Hochfrequenzkomponente des gewonnenen Spannungsbefehlsvektors, wobei der Filter (13) ein Tiefpassfilter ist, der zwischen der Spannungsamplitudenberechnungseinheit (12) und der Spannungsverhältnisberechnungseinheit (14) angeordnet ist; eine Berechnungseinheit (15) für einen anzustrebenden d-Phasen-Strom, welche einen d-Phasen-Strombefehl IDCMD0 in der vorangegangenen Tastperiode gewinnt und einen anzustrebenden d-Phasen-Strombefehl IDt auf Basis des Spannungsverhältnisses K, des d-Phasen-Strombefehls IDCMD0 und eines Kurzschlussstroms Isc berechnet nach der Formel: IDt = K·IDCMD0 + (K – 1)·Isc;eine Korrekturwertberechnungseinheit (17), welche einen Korrekturwert dadurch bestimmt, dass eine Differenz zwischen dem vorläufigen d-Phasen-Strombefehl in der laufenden Tastperiode und dem anzustrebenden d-Phasen-Strombefehl durch ein Tiefpassfilter geschickt wird; und einen Addierer (18), welcher den Korrekturwert zu dem vorläufigen d-Phasen-Strombefehl in der laufenden Tastperiode addiert, um einen neuen d-Phasen-Strombefehl zu berechnen.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft eine Synchronmotor-Stromsteuervorrichtung und insbesondere eine solche mit optimaler Feldschwächung durch Korrektur eines Strombefehls.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Bei einem Synchronmotor mit Permanentmagnet (nachfolgend einfach mit ”Motor” bezeichnet) angetrieben wird, der durch einen Stromverstärker (nachfolgend einfach mit ”amp” bezeichnet) sind die Maximalwerte für Strom und Spannung durch die Randbedingungen des amp begrenzt. Um maximale Ausgangswerte mit gegebenen Begrenzungen bezüglich Strom und Spannung zu erreichen, wird vorzugsweise eine optimierte Stromvektorsteuerung durchgeführt.
Bei einer Stromvektorsteuerung mit der ein Motor auf Basis eines orthogonalen dq-Koordinatensystems gesteuert wird, wird dann, wenn der Motor in einem Hochgeschwindigkeitsbereich angetrieben wird, in dem die elektromotorische Kraft (EMK) des Motors die Maximalspannung des amp überschreitet, ein reaktiver d-Phasenstrom eingesetzt, um die Motor-Klemmspannung auf einen Wert zu bringen, der kleiner ist als der Maximalspannungswert des amp. Durch Feldabschwächung mittels d-Phasen-Strom bei der Motorsteuerung (einschließlich der Erzeugung des Strombefehls) wird ein Anstieg der Motorklemmspannung aufgrund eines Geschwindigkeitsanstieges verhindert und es kann der Bereich stabilen Betriebs erweitert werden. Wird aber der d-Phasenstrom nicht angemessen gesteuert, kann ein Anstieg des d-Phasenstromes zu Hitzeerzeugung im Motor führen und ein Mangel an d-Phasenstrom kann zur Spannungssättigung führen. Mit anderen Worten: die Spannung an den Motorklemmen ist begrenzt durch die Maximalspannung, die der amp abgeben kann, wodurch eine Stromsteuerung instabil werden kann.
Um eine solche Situation zu verhindern sind Verfahren vorgeschlagen worden, bei denen der d-Phasenstrom entsprechend der Motorlast (konkret ein Drehmoment-Befehl) eingesetzt wird (vgl. z. B. japanische Patentveröffentlichung JP-A-2003-052199 (nachfolgend mit ”Patentliteratur 1” bezeichnet)). Dabei werden insbesondere der optimale d-Phasenstrom ohne Last und der optimale d-Phasenstrom beim maximaler Last berechnet und verwendet, Strombefehle bezüglich der q-Phase und der d-Phase entsprechend der Last zu berechnen (vgl. Patentliteratur 1, Gleichungen (16) und (17)). Dabei wird die Differenz zwischen Zuständen ohne Last und mit maximaler Last durch eine primäre lineare Approximation bestimmt, sodass ein exzessiver d-Phasenstrom fließen kann. Deshalb wird bei diesem Stand der Technik ein Spannungsbefehl als Ausgang der Stromsteuerung weiter verwendet, um eine Geschwindigkeit (Basisgeschwindigkeit) einzustellen, die als Grenze dient für das Einsetzen des d-Phasenstromes, wodurch der Zustand mit exzessivem d-Phasenstrom verbessert und die Hitzeentwicklung im Motor verhindert wird (vgl. Patentliteratur 1, 3).
Bei diesem Stand der Technik tritt jedoch ein Problem bei Motoren auf, bei denen der durch das Verhältnis des Magnet-Hauptflusses und der Induktivität bestimmte Kurzschlussstrom kleiner ist als der maximale Strom des amp; wobei das Problem darin liegt, dass der d-Phasenstrom für den Fall maximalen Drehmomentes/magnetischer Flusssteuerung nicht passend eingesetzt wird wenn die Steuerung eines maximalen Ausgangs durchgeführt wird durch alleinige Beachtung der Spannungsbegrenzung bei Hochgeschwindigkeitsbetrieb des Motors. In solchen Fällen ist ”maximales Drehmoment/maximale Flusssteuerung” ein Verfahren in einem Synchronmotor mit Magneten, wobei die Phasendifferenz zwischen dem q-Phasenstrom und dem d-Phasenstrom so gesteuert wird, dass der gesamte magnetische Fluss, welcher der Motorklemmenspannung bei Einsatz eines Stromes entsprechend dem bevorzugten Drehmoment entspricht, minimiert wird.
Andererseits wurden Verfahren vorgeschlagen zur Vermeidung einer Destabilisierung der Stromsteuerung aufgrund einer Spannungssättigung, bei denen der Befehl für den q-Phasenstrom korrigiert wird auf Basis der Abhängigkeit und des Integrals der Abweichung zwischen dem Spannungsbefehl und einem Referenzwert (vgl. z. B. japanische Patentveröffentlichung JP-A-2000-341990 ). Dabei wird zwar die Stabilität bei Spannungssättigung verbessert, jedoch bleibt der Einsatz eines optimalen d-Phasenstromes und q-Phasenstromes entsprechend der Motorgeschwindigkeit unbeachtet und deshalb wird keine optimale Stromsteuerung erreicht.
Weiterhin sind Verfahren vorgeschlagen worden, bei denen der Befehl für den d-Phasenstrom durch eine einfache Formel bestimmt wird, die den Drehmomentbefehl verwendet und dies wird eingesetzt, um den q-Phasenstrombefehl zu korrigieren (vgl. z. B. japanische Patentveröffentlichung JP-4045307 ). Damit kann ein optimaler Strom eingesetzt werden und eine maximale Drehmomentsteuerung wird erreicht. Außer Acht bleibt dabei allerdings die Spannungssättigung, sodass ein Problem dahingehend auftreten kann, dass eine optimale Stromsteuerung im Hochgeschwindigkeitsbereich nicht erreicht wird. Da weiterhin die exakten Werte für die Motorkonstanten vorzugsweise in der einfachen Formel eingesetzt werden, können Stabilitätsprobleme auftreten, wenn die Konstanten variieren.
Die US 2010/0219780 A1 (nächstliegender Stand der Technik) offenbart eine auf einer Vektorregelung basierende Motorsteuereinheit, die eine d-Stromsollwertvorgabe aus einer Drehmomentvorgabe und einem auf einer Spannungsvorgabe basierenden Modulationsfaktorsättigungsgrad berechnet. Weiterer Stand der Technik ist aus der DE 10 2008 019 570 A1 bekannt.
Die vorliegende Erfindung stellt eine Synchronmotor-Stromsteuervorrichtung gemäß Anspruch 1 bereit, mit der ein Strombefehl als Ausgang der Stromsteuerung eingesetzt wird, um den d-Phasenstrombefehl zu korrigieren und um so eine angepasste Feldschwächung im Hochgeschwindigkeitsbereich (Spannungssättigungsbereich) bei der Stromsteuerung zu erreichen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Eine Stromsteuervorrichtung für einen Synchronmotor gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung erzeugt einen Strombefehl in einer vorgegebene Tastperiode auf Basis eines orthogonalen dq-Koordinatensystems und die Stromsteuervorrichtung enthält eine d-Phasenstrombefehlsberechnungseinheit zum Berechnen eines provisorischen (vorläufigen) d-Phasenstrombefehls auf Basis eines Drehmomentbefehls, eines Stroms ohne Last und eines Stroms mit maximaler Last; eine Spannungsamplitudenberechnungseinheit zum Gewinnen eines Spannungsbefehlsvektors, bei dem es sich um einen Ausgang der Stromsteuerung in der Tastperiode, die der gerade laufenden Tastperiode vorangeht handelt, und die eine Größe des Spannungsbefehlsvektors berechnet; eine Spannungsverhältnisberechnungseinheit, welche ein Spannungsverhältnis zwischen der Größe des Spannungsbefehlsvektors und einer maximalen Ausgangsspannung des Verstärkers bestimmt; eine Berechnungseinheit für einen d-Phasen-Zielstrom einen d-Phasenstrombefehl, die einen d-Phasenstrombefehl aus der vorangegangenen Abtastperiode gewinnt und einen anzustrebenden (Ziel-)d-Phasenstrombefehl aus dem Spannungsverhältnis und dem d-Phasenstrombefehl berechnet; eine Korrekturwert-Berechnungseinheit, welche einen Korrekturwert dadurch bestimmt, dass eine Differenz zwischen dem provisorischen d-Phasenstrombefehl in der gerade laufenden Tastperiode und dem d-Phasenstrombefehl-Zielwert durch ein Tiefpassfilter geschickt wird; und einen Addierer, welcher den Korrekturwert zum d-Phasenstrombefehl in der laufenden Abtastperiode addiert, um einen neuen d-Phasenstrombefehl zu berechnen.
Gemäß der Erfindung wird eine optimale Feldschwächung erreicht ohne Beeinträchtigungen durch Fluktuationen einer Stromversorgungsspannung, Fluktuationen von Motorkonstanten oder dergleichen.
KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
Diese und andere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden noch deutlicher durch die nachfolgende Beschreibung mit Blick auf die Figuren:
1 ist ein Blockdiagramm einer Stromsteuervorrichtung eines Synchronmotors gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel;
2 ist ein Blockdiagramm eines Strombefehlsgenerators in einer Stromsteuervorrichtung eines Synchronmotors gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel;
3 ist ein Flussdiagramm zur Erläuterung der Abfolge beim Berechnen eines d-Phasenstromes und eines q-Phasenstromes durch die Stromsteuereinrichtung eines Synchronmotors gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel;
4 illustriert den Zusammenhang des Stromes ohne Last und des Stromes bei maximaler Last mit der Motordrehgeschwindigkeit;
5A zeigt die Abfolge beim Berechnen eines Zielstromes wenn der Spannungsvektor V1 die Bedingung V1 < Vref erfüllt;
5B zeigt die Abfolge beim Berechnen des Zielstromes wenn der Spannungsvektor V1 die Bedingung V1 > Vref erfüllt;
6 ist ein Blockdiagramm eines Filters, der bei einem Synchronmotor gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel eingesetzt wird;
7A zeigt zeitliche Änderungen des Strombefehls und der Strom-Rückkopplung beim Beschleunigen/Abbremsen wenn die Zeitkonstante geändert wird;
7B zeigt zeitliche Änderungen des Strombefehls und der Stromrückkopplung bei Beschleunigung/Abbremsung wenn der Strombefehl auf Basis einer Zeitkonstanten von 2 [msec] korrigiert wird;
7C zeigt zeitliche Änderungen des Strombefehls und der Stromrückkopplung bei Beschleunigung/Abbremsung wenn der Strombefehl mit einer Zeitkonstanten von 4 [msec] korrigiert wird;
8A zeigt einen Zustand mit Abweichung zwischen dem Strombefehl und der Stromrückkopplung vor Korrektur des Strombefehls wenn die Spannung unzureichend ist;
8B zeigt einen Zustand mit Abweichung zwischen dem Strombefehl und der Stromrückkopplung nach Korrektur des Strombefehls wenn die Spannung unzureichend ist;
9A zeigt Einzelheiten des Spannungsbefehls vor Korrektur des Strombefehls wenn die Spannung ausreicht;
9B zeigt Einzelheiten des Spannungsbefehls nach Korrektur des Strombefehls wenn die Spannung ausreicht;
10 ist ein Blockdiagramm eines Strombefehlsgenerators in einer Stromsteuereinrichtung eines Synchronmotors gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel; und
11 ist ein Flussdiagramm zur Erläuterung der Abfolge zum Begrenzen des d-Phasenstromes und des q-Phasenstromes durch die Stromsteuereinrichtung des Synchronmotors gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiels.
BESCHREIBUNG VON BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN IM EINZELNEN
Nunmehr wird die Stromsteuervorrichtung für einen Synchronmotor gemäß der Erfindung mit Bezug auf die Figuren beschrieben. Allerdings ist die technische Reichweite der Erfindung nicht auf die Ausführungsbeispiele der Erfindung beschränkt und kann auf die im Bereich der Ansprüche und deren Äquivalente erstreckt werden.
[Ausführungsbeispiel 1]
1 zeigt eine Stromsteuervorrichtung für einen Synchronmotor gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel. Die Stromsteuervorrichtung hat einen Strombefehlsgenerator 1, eine Geschwindigkeitssteuerung 2, eine d-Phasen-Stromsteuerung 3, eine q-Phasen-Stromsteuerung 4, eine dq/3-Phasen-Wandlereinheit 5, einen Leistungsverstärker 6, eine 3-Phasen/dq-Wandlereinheit 7 und einen Integrationszähler 8. Ein Merkmal der vorliegenden Erfindung liegt im Strombefehlsgenerator 1. Jedoch wird zunächst allgemein der Aufbau der Synchronmotor-Stromsteuerungseinrichtung beschrieben.
Die Geschwindigkeitssteuerung 2 subtrahiert von einem Geschwindigkeitsbefehl eine Geschwindigkeit ωm, die von einem Sensor S detektiert wird, der eine Rotationsgeschwindigkeit und eine Rotationsposition eines Synchronmotors M detektiert, um eine Geschwindigkeitsabweichung zu bestimmen, führt eine Geschwindigkeitsrückkopplung auf Basis der Geschwindigkeitsabweichung proportional und integral aus und berechnet einen Drehmomentbefehl TCMD.
Auf Basis des Drehmomentbefehls TCMD, der detektierten Geschwindigkeit ωm, eines d-Phasen-Strombefehlswertes VDCMD, eines q-Phasen-Spannungsbefehlswertes VQCMD, und eines d-Phasen-Strombefehlswertes IDCMD₀ in einem vorangegangenen Zyklus (unmittelbar davor), bestimmt der Strombefehlsgenerator 1 einen d-Phasen-Strombefehlswert IDCMD und einen q-Phasen-Strombefehlswert IQCMD im gerade laufenden Zyklus.
Die d-Phasen-Stromsteuerung 3 bzw. die q-Phasen-Stromsteuerung 4 subtrahieren einen d-Phasen-Strom Id bzw. einen q-Phasen-Strom Iq, die rückgekoppelt wurden, von den d-Phasen-Strombefehlswert IDCMD bzw. dem q-Phasen-Strombefehlswert IQCMD, um eine Stromabweichung zu bestimmen, führen dann eine solche Stromschleifenverarbeitung proportional und integral auf Basis der Stromabweichung aus, und berechnen einen d-Phasen-Spannungsbefehlswert VDCMD und einen q-Phasen-Spannungsbefehlswert VQCMD.
Die dq/3-Phasen-Wandlereinheit 5 wandelt den d-Phasen-Spannungsbefehlswert VDCMD und den q-Phasen-Spannungsbefehlswert VQCMD aus der dq-Phase in drei Phasen und gewinnt so die Spannungsbefehle Vu, Vv und Vw der drei Phasen U, V und W und steuert so den Antrieb des Synchronmotors M über den Leistungsverstärker 6.
Die Stromdetektoren 9u und 9v detektieren Ströme der zwei Phasen (die Ströme Iu und Iv der U-Phase und der V-Phase im in den FIGn. gezeigten Beispiel) im drei-phasigen Strom, der zum Synchronmotor M fließt.
Die 3 Phasen/dq-Wandlereinheit 7 wandelt einen 3-phasigen Strom in einen dq-Phasenstrom auf Basis der zwei Phasenströme Iu und Iv im 3-phasigen Strom, und so werden der d-Phasen-Strom Id und der q-Phasenstrom Iq berechnet und rückgekoppelt.
Der Integrationszähler 8 detektiert eine Drehposition des Rotors des Synchronmotors M aufgrund von Signalen, welche der Sensor S detektiert, welche die Position/Geschwindigkeit des Synchronmotors M beobachtet. Die Rotationsposition des Rotors wird mit dem Integrationszähler 8 detektiert und an die dq/3 Phasen-Wandlereinheit 5 und die 3 Phasen/dq-Wandlereinheit 7 gegeben.
Bei der vorstehend beschriebenen Synchronmotor-Stromsteuereinrichtung liegt ein Merkmal der Erfindung im Strombefehlsgenerator 1, während andere Baugruppen ähnlich einer herkömmlichen Stromsteuereinrichtung eines Synchronmotors sein können, bei dem eine Steuerung durch dq-Wandlung erfolgt.
Nunmehr soll ein Strombefehlsgenerator in einer Stromsteuereinrichtung eines Synchronmotors gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung näher beschrieben werden. 2 ist ein Blockdiagramm eines Strombefehlsgenerators 1 in einer Stromsteuereinrichtung eines Synchronmotors. Der Strombefehlsgenerator 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel ist mit einer Berechnungseinheit 6 für einen provisorischen (vorläufigen) d-Phasen-Strombefehl versehen, sowie mit einer Spannungsamplitudenberechnungseinheit 12, einer Spannungsverhältnisberechnungseinheit 14, einer Berechnungseinheit 15 für einen angestrebten (”Ziel”-)d-Phasenstrom, eine Berechnungseinheit 17 für einen Korrekturwert, und einen Addierer 18.
Die Berechnungseinheit 16 für den vorläufigen (provisorischen) d-Phasen-Strombefehl berechnet einen vorläufigen d-Phasen-Strombefehlswert IDtmp auf Basis eines Drehmomentbefehls TCMD sowie des d-Phasen-Stromes IDMIN ohne Last und des d-Phasen-Stromes IDMAX mit maximaler Last, wie sie durch die Berechnungseinheit 11 für den Strom ohne Last/mit maximaler Last berechnet worden sind.
Die Spannungsamplitudenberechnungseinheit 12 gewinnt einen Spannungsbefehlsvektor, bei dem es sich um den Ausgang der Stromsteuerung im vorangegangenen Tastzyklus handelt, und berechnet die Größe Vamp des Spannungsbefehlsvektors. Die Spannungsamplitudenberechnungseinheit 12 kann auch eine Hochfrequenzkomponente des gewonnenen Spannungsbefehlsvektors unter Verwendung eines Filters 13 entfernen, wobei es sich um ein Tiefpassfilter handelt.
Die Spannungsverhältnisberechnungseinheit 14 bestimmt das Spannungsverhältnis K zwischen der Größe Vamp des Spannungsbefehlsvektors und der maximalen Ausgangsspannung Vref des amp.
Die Berechnungseinheit 15 für den anzustrebenden d-Phasen-Strom gewinnt den d-Phasen-Strombefehlswert IDCMD₀ der vorangegangenen Tastperiode und berechnet den anzustrebenden d-Phasen-Strombefehlswert IDt aus dem Spannungsverhältnis K und dem d-Phasen-Strombefehlswert IDCMD₀.
Die Korrekturwertberechnungseinheit 17 ist mit einem Subtrahierer 17a und einem Filter 17b versehen, einem Tiefpassfilter. Der Subtrahierer 17a berechnet eine Differenz ΔID (= IDt – IDtmp) zwischen dem vorläufigen d-Phasen-Strombefehlswert IDtmp im gerade laufenden Tastzyklus und dem anzustrebenden (Ziel-)d-Phasen-Strombefehlswert IDt, schickt die Differenz ΔID durch das Filter 17b und bestimmt den Korrekturwert ”Filter (IDt – IDtmp)”.
Der Addierer 18 addiert den Korrekturwert Filter (IDt – IDtmp) zum d-Phasen-Strombefehlswert IDtmp im gerade laufenden Tastzyklus, um einen neuen d-Phasen-Strombefehlswert IDCMD zu berechnen.
Nunmehr wird ein Betriebsablauf der Stromsteuervorrichtung eines Synchronmotors gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel beschrieben. 3 ist ein Flussdiagramm eines Ablaufs zum Berechnen des d-Phasen-Stroms und des q-Phasen-Stroms durch die Stromsteuereinrichtung des Synchronmotos gemäß diesem ersten Ausführungsbeispiel.
Zunächst werden in Schritt S01 ein d-Phasen-Strom IDMIN ohne Last, ein d-Phasen-Strom IDMAX mit maximaler Last, und ein q-Phasen-Strom IQMAX maximaler Last für den Synchronmotor berechnet. Beispiele für die Berechnung des jeweiligen Stromwertes sind im Graphen gemäß 4 dargestellt. Das besondere Berechnungsverfahren ist wie folgt. Zunächst werden in einem Bereich geringer Drehgeschwindigkeit (0 < ω < ω1), in dem die Spannung zum Antreiben des Motors klein ist, der d-Phasen-Strom IDMAX maximaler Last und der q-Phasen-Strom IQMAX maximaler Last auf die Werte IDMAX = 0 bzw. IQMAX = IMAX gesetzt. Wird in diesem Zustand die Drehgeschwindigkeit ω erhöht, erreicht die Befehlsspannung des maximalen Ausgangswert VMAX der Stromsteuereinrichtung des Synchronmotors bei einer bestimmten Rotationsgeschwindigkeit ω1. Wird in diesem Zustand die Drehgeschwindigkeit weiter erhöht, wird die Ausgangsspannung unzureichend. Angesichts der obigen Erläuterungen werden dann, wenn die Rotationsgeschwindigkeit ω1 als die Startdrehgeschwindigkeit des d-Phasen-Strombefehls bei maximaler Last gesetzt wird und die Motordrehgeschwindigkeit diese Rotationsgeschwindigkeit überschreitet, der d-Phasen-Strom IDMAX maximaler Last und der q-Phasen-Strom IQMAX maximaler Last entsprechend der Drehgeschwindigkeit durch die nachfolgenden Formeln (1) bzw. (2) berechnet, so dass die kombinierte dq-Spannung auf VMAX fixiert ist und der kombinierte dq-Stromwert auf IMAX fixiert ist. IDMAX = 0,5·(ϕ/L)·[(IMAX/(ϕ/L))² + 1]·[(ω1/ω)² – 1] (1) IQMAX = √(IMAX² – IDMAX²) (2) wobei ω die elektrische Winkelgeschwindigkeit des Motors, ϕ der magnetische Hauptfluss und L die Induktivität in d-Achsrichtung und q-Achsrichtung sind (Ld = Lq = L).
Sodann berechnet in Schritt S102 die Berechnungseinheit 16 für den vorläufigen d-Phasen-Strombefehl den vorläufigen d-Phasen-Strombefehlswert IDtmp auf Basis des Drehmomentbefehls TCMD sowie des d-Phasen-Stroms IDMIN ohne Last und des d-Phasen-Stroms IDMAX mit maximaler Last, wobei beide durch die Stromberechnungseinheit 11 ohne Last/mit Last berechnet worden sind. Die Berechnungsformel ist nachfolgend mit Gleichung (3) angegeben. IDtmp = IDMIN + (IDMAX – IDMIN)·TCMD (3)
Sodann berechnet in Schritt S103 die Spannungsamplitudenberechnungseinheit 112 die Größe Vamp des Spannungsbefehlsvektors, der bei der Stromsteuerung im vorangegangenen Zyklus ausgegeben worden ist. Die Berechnungsformel ergibt sich aus der nachfolgenden Gleichung (4).
Wobei VDCMD und VQCMD die Spannungsbefehle für die d-Phase bzw. die q-Phase im vorangegangenen Zyklus (Abtastperiode) sind.
Sodann berechnet in Schritt S104 die Spannungsverhältnisberechnungseinheit 14 das Spannungsbefehlsverhältnis K zwischen der Größe Vamp des Spannungsbefehlsvektors und der maximalen Bezugsspannung Vref, welche der maximalen Ausgangsspannung des amp entspricht. Die Berechnung ergibt sich aus der nachfolgenden Gleichung (5). K = Vref / Filter(Vamp) (5)
Darin bedeutet Filter (Vamp), dass hochfrequente Komponenten durch ein passendes Tiefpassfilter entfernt werden, um den Einfluss des Rauschens zu reduzieren.
Sodann verwendet in Schritt S105 die Berechnungseinheit 15 für die anzustrebende d-Phasen-Spannung den d-Phasen-Strombefehlswert IDCMD₀ im vorangegangenen Zyklus, um einen anzustrebenden d-Phasen-Strombefehlswert IDt zu berechnen. Die 5A und 5B zeigen das Verfahren zum Erzeugen des anzustrebenden d-Phasen-Stroms IDt. 5A zeigt den Fall, bei dem für den Spannungsvektor gilt V1 < Vref und 5B zeigt den Fall, bei dem für den Spannungsvektor gilt V1 > Vref. Dabei ist V1 der Spannungsbefehl im vorangegangenen Zyklus.
Wird gemäß 5A der Betriebspunkt von (1) nach (2) bewegt, kann der angestrebte d-Phasen-Stromwert IDt mit den nachfolgenden Gleichungen (6) und (7) auf Basis des Verhältnisses K zwischen V1 und Vt (= Vref) und dem d-Phasen-Strombefehlswert ID1 (= IDCMD₀) im vorangegangenen Zyklus berechnet werden. K = Vref / V1 = VQt / VQ1 = ωLd·IDt + ωϕ / ωLd·ID1 + ωϕ (6) IDt = K·ID1 + (K – 1)· ϕ / Ld (7)
Man setze ID1 = IDCMD₀ und den Kurzschlussstrom ϕ/Ld = Isc, und es ergibt sich die Gleichung (8). IDt = K·IDCMD₀ + (K – 1)·Isc (8)
Werden eine Spannung in d-Phasen-Richtung und ein Strom in q-Phasen-Richtung in ähnlicher Weise betrachtet, dann kann ein angestrebter q-Phasen-Strombefehlswert IQt durch die folgenden Gleichungen (9) und (10) berechnet werden. K = Vref / V1 = VDt / VD1 = ωLq·IQt / ωLq·IQ1 (9) IQt = K·IQ1 (10)
Sodann schickt in Schritt S106 die Korrekturwertberechnungseinheit 17 die Differenz (ΔID = IDt – IDtmp) zwischen dem angestrebten d-Phasen-Strom IDt, wie er durch den Subtrahierer 17a bestimmt ist, und dem obigen vorläufigen d-Phasen-Strombefehlswert IDtmp durch ein Filter 17b mit einer angepassten Zeitkonstanten, um einen Korrekturwertfilter (IDt – IDtmp) zu berechnen. Als Filter 17b kann beispielsweise ein Tiefpassfilter 30 mit einer Zeitkonstanten τ gemäß 6 eingesetzt werden. In diesem Falle bestimmt das Tiefpassfilter 30 die Differenz zwischen einem Filtereingang (IDt – IDtmp) und einem Filter-Ausgangsfilter (IDt – IDtmp) im vorangegangenen Zyklus, welcher einen Verzögerer 32 passiert hat. Die so bestimmte Differenz wird mit einer Filterverstärkung (Ts/τ) 31 multipliziert und das Ergebnis wird zum Filter-Ausgangsfilter (IDt – IDtmp) im vorangegangenen Zyklus addiert, und das Ergebnis wird als Filter-Ausgangsfilter (IDt – IDtmp) im gerade laufenden Zyklus verwendet. In diesem Falle ist Ts die Tastperiode und τ die Zeitkonstante.
Sodann addiert in Schritt S107 der Addierer 18 den Filterkorrekturwert (IDt – IDtmp) zum vorläufigen d-Phasen-Strombefehlswert IDtmp, um den d-Phasen-Strombefehlswert IDtmp für den gerade laufenden Zyklus zu berechnen.
Die Berechnungsformel ist mit der nachfolgenden Gleichung (11) gegeben. IDCMD = IDtmp + filter(IDt – IDtmp) (11)
Im Ergebnis wird der d-Phasen-Strombefehlswert IDCMD im gerade laufenden Zyklus gewonnen. Die Aufgabe des Filters 17b ist hinsichtlich des Flusses des d-Phasen-Stromes IDCMD die Bestimmung, ob der vorläufige d-Phasen-Strombefehlswert IDtmp, der von der Befehlsseite kommt, im Vordergrund steht (ist die Zeitkonstante des Filters unendlich, wird IDtmp auf 100% gesetzt), oder ob der IDtmp-Wert, der auf der Korrekturseite gebildet wird, im Vordergrund steht, um den Spannungsbefehlsvektor Vamp im vorangegangenen Zyklus an den Wert Vref im gerade laufenden Zyklus anzupassen (wird die Zeitkonstante des Filters 0, wird IDt auf 100% gesetzt). Ist die Zeit hinreichend länger als die Zeitkonstante des Filters, beträgt IDtmp nur IDt auf der Korrekturseite, wo eine Spannung gemäß Vref versucht wird, anzulegen. Im Ergebnis ergibt sich ein gewisser optimaler Wert für die Zeitkonstante des Filters 17b. Deshalb werden Untersuchungen durch Simulationen oder echte Vorrichtungen im Voraus angestellt, um die zu verwendende optimale Zeitkonstante zu gewinnen. Die 7A bis 7C zeigen Graphen, die eine zeitliche Änderung eines kombinierten dq-Strombefehls und einer kombinierten dq-Strom-Rückkopplung bei Beschleunigung/Abbremsung zeigen, wenn die Zeitkonstante geändert wird. Die 7A bis 7C zeigen den Fall, in dem keine Korrektur durchgeführt wird, den Fall, in dem eine Korrektur mit einer Zeitkonstanten von 2 [msek] durchgeführt wird, und den Fall, in dem eine Korrektur mit einer Zeitkonstanten von 4 [msek] durchgeführt wird. Beispielsweise wird gemäß 7B eine Zeitkonstante von 2 [msek] als optimaler Wert ermittelt, wenn die Abweichung zwischen dem kombinierten dq-Strombefehl (durchgezogene Linie) bei Beschleunigung/Abbremsung und der kombinierten dq-Stromrückkopplung (unterbrochene Linie) klein ist.
Sodann wird in Schritt S108 der q-Phasen-Strombefehlswert IQCMD berechnet. Die Berechnungsformel ist in der nachfolgenden Gleichung (12) angegeben. IQCMD = [Isc – (Lq/Ld – 1)]·IDMAX / [Isc – (Lq/Ld – 1)]·IDCMD·IQMAX·TCMD (12)
Auf Basis des berechneten d-Phasen-Strombefehlswertes IDCMD und des q-Phasen-Strombefehlswertes IQCMD im gerade laufenden Zyklus erfolgt eine Stromsteuerung, zum Beispiel im Proportionalverfahren oder Integralverfahren und es werden Spannungsbefehle für die d-Phase und die q-Phase ausgegeben. Auf Basis der ausgegebenen Spannungsbefehle speist der Leistungsverstärker 6 einen Strom in den Synchronmotor M und treibt ihn an.
Das oben erläuterte Spannungsbefehlsverhältnis K gibt an, in welchem Ausmaß der gegebene Spannungsbefehl Vamp angehoben oder abgesenkt werden muss in Bezug auf die maximale Bezugsspannung Vref, welche der maximalen Spannung des Leistungsverstärkers 6 entspricht. Wenn der d-Phasen-Strombefehlswert IDCMD gemäß der obigen Gleichung (11) entsprechend diesem Verhältnis korrigiert wird, dann ist jeweils eine maximale Ausgangssteuerung ermöglicht.
Wird zum Beispiel ein Strombefehl ausgegeben, der zeitweise die maximale Bezugsspannung überschreitet, dann ändert die Korrektur in den optimalen d-Phasen-Strombefehl sofort den Spannungsbefehl. Auf diese Weise wird die Stabilität der Stromsteuerung verbessert. Wenn ein Spannungsbefehl ausgegeben wird, der kleiner ist als die maximale Bezugsspannung, dann fließen d-Phasenströme, die größer sind als erforderlich und dies kann sofort abgeändert werden durch Korrektur in den optimalen d-Phasen-Strombefehl und Wärmeentwicklung im Synchronmotor kann auf diese Weise verhindert werden.
Beim vorstehend beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel besteht ein nennenswertes Merkmal der Stromsteuervorrichtung des Synchronmotors darin, dass der Strombefehl korrigiert und ein Übergang durchgeführt wird in einen optimalen Zustand und der optimale Zustand aufrecht erhalten wird durch Einrichtung einer Rückkoppelschleife, die abhängt vom Zustand des Spannungsbefehls.
Bei der maximalen Bezugsspannung Vref handelt es sich um einen Wert, beispielsweise 100%, der sich ergibt durch Normalisierung der Maximalspannung des Leistungsverstärkers 6. Dabei handelt es sich jedoch nicht um einen festen Spannungsgrenzwert. Deshalb funktioniert die optimale d-Phasen-Strombefehlssteuerung nach der Erfindung auch dann, wenn bei der Spannungsquelle Schwankungen auftreten.
Wenn beispielsweise die Spannung der Stromquelle abfällt und die maximale Ausgangsspannung des Leistungsverstärkers sinkt, wird die zugehörige maximale Referenzspannung Vref auf 100% fixiert. Da andererseits der d-Phasen-Strom vor Abfall der Stromquellenspannung aufgrund der Wirkung der Stromsteuerschleife aufrecht erhalten bleiben soll, steigt der durch die Spannung des Leistungsverstärkers normalisierte Spannungsbefehl Vamp an. Im Ergebnis fällt das Spannungsbefehlsverhältnis K auf 1 oder tiefer, was einen Anstieg von Id bewirkt und eine Spannungssättigung verhindert. Deshalb wird die Stromsteuerung nicht instabil.
Fällt der magnetische Hauptschluss aufgrund von Wärmeentwicklung im Motor, dann sinkt auch der Spannungsbefehl Vamp bei dem Versuch, aufgrund der Stromsteuerschleife den d-Phasen-Strom auf einen Wert vor dem Abfall des magnetischen Hauptflusses zu halten. Deshalb nimmt das Spannungsbefehlsverhältnis K Werte von 1 oder mehr an, um so den d-Phasen-Strom abzusenken, so dass die Wärmeentwicklung im Motor vermieden werden kann.
Somit hat eine Stromsteuervorrichtung für einen Synchronmotor gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel das Merkmal, dass sie Schwankungen der Versorgungsspannung und der Motorparameter wirksam einschränkt.
Nunmehr sollen weitere Wirkungen der Stromsteuervorrichtung eines Synchronmotors gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel erläutert werden. Die 8A und 8B zeigen Änderungen charakteristischer Parameter, wenn der Strombefehl bei unzureichender Spannung korrigiert wird. 8A zeigt charakteristische Parameter vor der Korrektur, während 8B solche nach der Korrektur darstellt. Wie durch Betrachtung der Zeitspanne zwischen t1 und t2 deutlich wird, wird durch die Korrektur die Stromabweichung, also die Abweichung zwischen dem Strombefehl und der Stromrückkoppelung, reduziert.
Die 9A und 9B zeigen Änderungen der charakteristischen Parameter wenn die Korrektur des Strombefehls bei hinreichender Spannung erfolgt. 9A zeigt die charakteristischen Parameter vor der Korrektur, während 9B dieselben nach der Korrektur darstellt. Die Charakteristika zur Zeit t3 zeigen deutlich, dass der kombinierte dq-Spannungsbefehl bei festgelegter Drehung von VCMD1 auf VCMD2 ansteigt, während der kombinierte dq-Strom aufgrund der Korrektur von ICMD1 auf ICMD2 abfällt.
(Ausführungsbeispiel Nr. 2)
Nunmehr wird eine Stromsteuervorrichtung eines Synchronmotors gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel näher beschrieben. Üblicherweise erfolgt die Berechnung eines Strombefehlsvektors durch die Strombefehlserzeugungseinheit unter Berücksichtigung des maximalen Stromes des amp. Wenn jedoch der d-Phasen-Strombefehl durch Ausführung einer Korrektur seitens der Stromsteuereinrichtung des Synchronmotors gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel geändert wird, kann es vorkommen, dass der Betrag des Strombefehlsvektors den Maximalstrom des amp übersteigt. Um das zu verhindern, verwendet die Stromsteuervorrichtung des Synchronmotors gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel IQCMD und den Maximalstrom des amp zur Begrenzung des d-Phasen-Strombefehlswertes IDCMD.
10 zeigt den Aufbau eines Strombefehlsgenerators 10 in einer Stromsteuervorrichtung eines Synchronmotors gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel. Der Strombefehlsgenerator 10 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem des ersten Ausführungsbeispiels darin, dass er zusätzlich ausgerüstet ist mit einer Berechnungseinheit 20 zum Berechnen von Begrenzungswerten bezüglich des d-Phasen-Strombefehls und des q-Phasen-Strombefehls und darin, dass der Maximalwert des neu eingestellten d-Phasen-Strombefehlswertes IDCMD durch folgende Formel begrenzt ist: √((gesetzter Maximalstrom)² – (q-Phasen-Strombefehl-Begrenzungswert)²). Ansonsten ist der Aufbau ähnlich dem Strombefehlsgenerator gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel, sodass insoweit auf eine wiederholte Beschreibung verzichtet werden kann.
Die Berechnungseinheit 20 für den Strombefehlsbegrenzungswert berechnet Begrenzungswerte IDminLMT und IDmaxLMT für den d-Phasen-Strombefehl sowie einen Begrenzungswert IQmaxLMT für den q-Phasen-Strombefehl. Das Berechnungsverfahren wird weiter unten beschrieben.
Zum Begrenzen des Maximalwertes des neu eingestellten Strombefehlswertes IDCMD durch den d-Phasen-Strombefehls-Begrenzungswert und den q-Phasen-Strombefehl-Begrenzungswert, kann der Strombefehlsgenerator 10 beispielsweise mit einem d-Phasen-Strombegrenzer 21 und einem q-Phasen-Strombegrenzer 22 versehen sein.
Nunmehr wird ein Betriebsablauf des Strombefehlsgenerators 10 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel beschrieben. 11 zeigt ein Flussdiagramm des Betriebsablaufs. Zunächst werden in Schritt 201 die d-Phasen-Strombefehlsbegrenzungswerte IDminLMT und IDmaxLMT mit den nachfolgenden Gleichungen (13) und (14) berechnet. IDminLMT = min(K·IDMIN + (K – 1)·Isc, 0) (13) IDmaxLMT = min(–√Imax² – (K·IQMAX)², IDminLMT) (14)
In diesem Falle ist Imax der gesetzte maximale Strom, der zum amp fließen kann.
Sodann wird in Schritt 202 der d-Phasen-Strombefehlswert IDCMD unter Verwendung des d-Phasen-Strombegrenzers 21 auf IDminLMT und IDmaxLMT begrenzt.
Sodann wird in Schritt 203 der q-Phasen-Strombefehlsbegrenzungswert IQmaxLMT mit der nachfolgenden Gleichung (15) berechnet. IQmaxLMT = min(K·IQMAX, IQMAX) (15)
Sodann wird in Schritt 202 der d-Phasen-Strombefehlswert IDCMD nach der Begrenzung verwendet, um mit Gleichung (12) den q-Phasen-Strombefehlswert IQCMD zu berechnen und der q-Phasen-Strombefehlswert IQCMD wird unter Verwendung des q-Phasen-Strombegrenzers 22 auf IQmaxLMT begrenzt.
Mit der Stromsteuereinrichtung für einen Synchronmotor gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel kann vermieden werden, dass der Betrag des Strombefehlsvektors den Maximalstrom des amp überschreitet, und zwar auch dann, wenn der d-Phasen-Strombefehl korrigiert wird.
Die oben beschriebenen Korrekturen für einen Strombefehlswert einer Stromsteuereinrichtung eines Synchronmotors werden nur im Hochgeschwindigkeitsbereich ausgeführt. Kurzgesagt gilt: Wenn weder eine erste Bedingung, gemäß welcher der Synchronmotor in Grundgeschwindigkeit ohne Last oder schneller läuft, noch eine zweite Bedingung, gemäß welcher er mit Grundgeschwindigkeit unter maximaler Last oder schneller läuft und auch den Betrag eines vorgegebenen Spannungsbefehlsvektors überschreitet, erfüllt sind, wird der Korrekturwert auf Null gesetzt. Bedingungen für den Hochgeschwindigkeitsbereich sind folgende: Der Synchronmotor läuft entweder in Grundgeschwindigkeit ohne Last oder schneller oder er läuft in Grundgeschwindigkeit unter maximaler Last oder schneller und überschreitet auch den Betrag eines vorgegebenen Spannungsvektors. Wenn keine dieser Bedingungen erfüllt ist, wird die oben beschriebene Korrektur nicht ausgeführt.

Claims

Stromsteuervorrichtung für einen Synchronmotor, die einen Strombefehl in einer vorgegebenen Tastperiode auf Basis eines orthogonalen dq-Koordinatensystems generiert, folgendes aufweisend: eine Berechnungseinheit (16) für einen vorläufigen d-Phasen-Strombefehl, die einen vorläufigen d-Phasen-Strombefehl IDtmp unter Verwendung eines Drehmomentbefehls TCMD, eines Stromes ohne Last IDMIN und eines Stromes mit maximaler Last IDMAX berechnet nach der Formel: IDtmp = IDMIN + (IDMAX – IDMIN)·TCMD; eine Spannungsamplitudenberechnungseinheit (12), die einen Spannungsbefehlsvektor gewinnt, welcher in der der gerade laufenden Tastperiode vorangehenden Tastperiode durch die Stromsteuerung abgegeben worden ist, und die eine Größe des Spannungsbefehlsvektors berechnet; eine Spannungsverhältnisberechnungseinheit (14), welche ein Spannungsverhältnis zwischen der Größe des Spannungsbefehlsvektors und einer maximalen Ausgangsspannung eines Verstärkers bestimmt; einen Filter (13) zum Entfernen einer Hochfrequenzkomponente des gewonnenen Spannungsbefehlsvektors, wobei der Filter (13) ein Tiefpassfilter ist, der zwischen der Spannungsamplitudenberechnungseinheit (12) und der Spannungsverhältnisberechnungseinheit (14) angeordnet ist; eine Berechnungseinheit (15) für einen anzustrebenden d-Phasen-Strom, welche einen d-Phasen-Strombefehl IDCMD₀ in der vorangegangenen Tastperiode gewinnt und einen anzustrebenden d-Phasen-Strombefehl IDt auf Basis des Spannungsverhältnisses K, des d-Phasen-Strombefehls IDCMD₀ und eines Kurzschlussstroms Isc berechnet nach der Formel: IDt = K·IDCMD₀ + (K – 1)·Isc; eine Korrekturwertberechnungseinheit (17), welche einen Korrekturwert dadurch bestimmt, dass eine Differenz zwischen dem vorläufigen d-Phasen-Strombefehl in der laufenden Tastperiode und dem anzustrebenden d-Phasen-Strombefehl durch ein Tiefpassfilter geschickt wird; und einen Addierer (18), welcher den Korrekturwert zu dem vorläufigen d-Phasen-Strombefehl in der laufenden Tastperiode addiert, um einen neuen d-Phasen-Strombefehl zu berechnen.
Stromsteuervorrichtung für einen Synchronmotor gemäß Anspruch 1, weiterhin aufweisend: eine Strombefehlsbegrenzungswertberechnungseinheit (20), welche einen d-Phasen-Strombefehl-Begrenzungswert und einen q-Phasen-Strombefehl-Begrenzungswert berechnet, wobei ein Maximalwert des neuen d-Phasen-Strombefehls begrenzt wird durch √((gesetzter Maximalstrom)² – (q-Phasen-Strombefehl-Begrenzungswert)²).
Stromsteuervorrichtung für einen Synchronmotor gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei dann, wenn weder eine erste Bedingung, gemäß welcher der Synchronmotor in Grundgeschwindigkeit ohne Last oder schneller läuft, noch eine zweite Bedingung, gemäß welcher der Synchronmotor mit Grundgeschwindigkeit unter maximaler Last oder schneller läuft und auch einen Betrag eines vorgegebenen Spannungsbefehlsvektors überschreitet, erfüllt sind, der Korrekturwert auf Null gesetzt wird.