DE102016202410A1 - Verfahren und Anordnung zur Überwachung einer PSM-Maschine - Google Patents

Abstract

Bereitgestellt werden ein Verfahren und eine Anordnung zur Überwachung eines Betriebszustands einer Maschine (100), die mittels einer Feldorientierten Steuerung bzw. Regelung betrieben wird, umfassend zumindest jeweils einen Regler für die Eingangsströme (Isd, Isq) der d- und q-Achse der FOR, wobei wenn ein unerwünschter Betriebszustand der Maschine erkannt wurde, eine Umschaltung von einem ersten Parametersatz der Regler (205) für die d-Achse und für die q-Achse auf einen zweiten Parametersatz der Regler (205) für die d-Achse und für die q-Achse erfolgt, wobei zum Umschalten der Parametersatz vom letzten Abtastschritt (k – 1) festgelegt wird und die Integratoren (Yd, Yq) des letzten Abtastschritts aus den Sollströmen, den aktuellen Soll-Ist-Differenzen der beiden Ströme in d- und q-Achse und den Regler-Parametern über Gleichungen 11 und 12 zurückberechnet werden, wobei die berechneten Integratorwerte (YId(k-1), YIq(k-1)) zum Zeitpunkt der Umschaltung als Startwerte des zweiten Parametersatzes für die Integratoren (Yd, Yq) der Regler (205) eingesetzt werden.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung eines Rotorpositionssensors einer PSM-Maschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und eine Anordnung zur Überwachung eines Rotorpositionssensors einer PSM-Maschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 7.
• Permanenterregte Synchronmaschinen, auch PSM-Maschinen genannt, werden an Bord eines Kraftfahrzeugs für unterschiedliche Zwecke verwendet, z.B. für eine Lenkkraftunterstützung, einen Traktionsantrieb oder andere Antriebe. Eine PSM-Maschine ist eine Drehfeldmaschine mit einem auf oder im Läufer angeordneten Permanentmagneten. Der zumindest eine Stator umfasst Wicklungen dreier oder mehr Phasen und bildet sich aus den mit einem Winkel von 120 Grad verteilten Phasen. Die Spulen der Phasen sind auf einem Umfang um eine Drehachse verteilt, gegenüber der der Rotor bezüglich des Stators drehbar gelagert ist.
• Die Zustandsgrößen der PSM-Maschine wie z.B. Strom, Spannung, Fluss etc., können in dem Drei-Koordinatensystem (U, V, W) dargestellt werden, wie in 1 gezeigt. 1 zeigt eine bekannte Drehfeldmaschine 100, insbesondere eine PSM-Maschine, die einen Stator (nicht gezeigt) und einen Rotor 101 umfasst, die bezüglich einer Drehachse 102 drehbar gegeneinander gelagert sind. Am Stator sind wenigstens drei Spulen gleichmäßig um 120 Grad verteilt auf einem Umfang um die Drehachse 102 angebracht. Es sind drei Phasen U, V und W vorgesehen. Jede der Phasen U, V, W ist in der Regel mit gleich vielen Spulen verbunden, die in gleichem Abstand auf dem Umfang verteilt sind. Die Polpaarzahl Z_P und die damit verbundene Anzahl der Spulen sind je nach Anwendung wählbar. Auf dem Rotor 101 ist vorzugsweise zumindest ein Permanentmagnet 103 angeordnet, wobei ein Drehmoment bei Ansteuerung der Phasen U, V, W mit phasenverschobenen Wechselströmen generiert wird, das den Rotor 101 um die Drehachse 102 bezüglich des Stators dreht.
• Eine phasenverschobene Ansteuerung der Phasen U, V, W kann in unterschiedlichen Koordinatensystemen dargestellt werden. Im statorfesten U, V, W-Koordinatensystem sind die Koordinatenachsen um 120° gegeneinander verdreht.
• Da die Ströme der Phasen U, V, W in Summe Null ergeben, kann ein Stromzeiger bzw. Stromvektor I →_s auch in einem statorfesten, zweidimensionalen α/β-Koordinatensystem dargestellt werden. Ferner ist in 1 ein rotorfestes d, q-Koordinatensystem vorgesehen, dessen d-Komponente gleichgerichtet mit dem magnetischen Fluss Ψ_PM des Permanentmagneten 103 verläuft. Eine q-Komponente verläuft senkrecht dazu. Ein Winkel zwischen der d-Achse und der α- bzw. U-Achse entspricht einem elektrischen Drehwinkel Θd oder Θel der Drehfeldmaschine 100 zwischen dem Rotor 101 und dem Stator. Ein elektrischer Drehwinkel Θd oder Θel entspricht dem mechanischen Drehwinkel Θmech multipliziert mit der Polpaarzahl Z_P. Mit der Transformation der Zustandsgrößen in das d, q-Koordinatensystem vereinfachen sich die differentiellen Gleichungen der PSM-Maschine und die PSM-Maschine kann wie eine Gleichstrommaschine geregelt werden. Dies wird als feldorientierte Regelung oder FOR bezeichnet. Bei einer Feldorientierten Regelung wird ein Gesamt-Soll-Strom, der durch die Drehfeldmaschine fließen soll, bezüglich eines rotor(fluss)festen d, q-Koordinatensystems bestimmt, so dass einige Steuer- bzw. Regelungsvorgänge einfacher durchzuführen sind und einige Berechnungen vereinfacht werden.
• 2 zeigt die FOR einer PSM-Maschine im Überblick. Eine Steuerkomponente 205 generiert auf der Basis von vorgegebenen d- und q-Komponenten eines Gesamt-Sollstroms I_sd, I_sq der Drehfeldmaschine 100 d- und q-Komponenten einer Spannung U_sd, U_sq. Die d- und q-Komponenten I_sd, I_sq spannen einen Stromvektor auf, der dem Gesamt-Sollstrom entspricht. Die in der Steuerkomponente 205 generierte und durch die d- und q-Komponenten U_sd, U_sq ausgedrückte Spannung wird mittels eines Umsetzers 210 vom d, q-Koordinatensystem in ein dreidimensionales Koordinatensystem, insbesondere das U, V, W-Koordinatensystem, umgesetzt. Dabei ergeben sich drei Spannungen U_s1, U_s2, U_s3, die mittels eines Vektormodulators 215 auf der Basis einer Zwischenkreisspannung U_dc in drei korrespondierende Pulsweitenmodulationssignale PWM₁, PWM₂, und PWM₃ umgesetzt werden. Die Zwischenkreisspannung U_dc kann bei Einsatz in einem Kraftfahrzeug einer Bordspannung oder auch einer Batteriespannung entsprechen. Ein Pulswechselrichter 220 ist dazu eingerichtet, jede der Phasen U, V, W abwechselnd mit einem hohen und einem niedrigen Potential der Zwischenkreisspannung U_dc zu verbinden, sodass sich an der Phase U, V, W eine gewünschte Spannung einstellt. Die angelegten Spannungen bewirken Ist-Phasenströme durch die Phasen U, V und W. Mindestens ein Ist-Phasenstrom wird mittels zumindest einer Abtasteinrichtung 225 abgetastet, welche auch Stromsensoren umfasst. Über einen Positionssensor 230 wird der elektrische Winkel Θel der PSM basierend auf der gemessenen mechanischen Rotorposition Θmech und der Polpaarzahl ZP ermittelt. Um die gegenseitige Wirkung der beiden Ströme Isd und Isq zu kompensieren, können Entkopplungen 240 eingeführt werden.
• Für die Durchführung der FOR sind neben der Rotorposition und der Zwischenkreisspannung Informationen über die Phasenströme erforderlich, um die Rückkopplung des Regelkreises zu gewährleisten. Dies bedeutet, dass Strommesssensoren 225 zur Messung der Ströme benötigt werden. Üblicherweise wird die Maschine 100 mit der gleichen Dynamik im gesamten Drehzahlbereich in Betrieb genommen. In manchen Fällen muss die Maschine 100 mit unterschiedlichen Dynamiken angesteuert werden, damit man unerwünschte Betriebszustände vermeiden kann. Dies ist z.B. der Fall, wenn die Dynamik reduziert werden soll, damit kein Überschwinger entsteht, falls eine Stromgrenze vorgegeben wird, oder wenn eine hohe Dynamik gewählt wird, falls eine schnelle Reaktion erwünscht ist und die Randbedingungen dafür vorhanden sind (maximale Stromgrenze nicht verletzt, Antrieb nicht in Sparmodus, ...).
• Auch können die Parameter des Reglers so geändert werden, dass z.B. bei einem stationären Zustand die Abhängigkeit vom benötigten Strom geschwächt wird und die Reaktion des Reglers auf Rauschen abgesenkt wird, damit bei der Reaktion auf die Signalfehler keine Rückkopplungen im Antrieb verursacht werden, was zur Dauerschwingung im System führen würde, das heißt zu einem unruhigen Verhalten. Dies kann bei präzisen Antrieben wie in der Papierdruckerei oder bei der Bauteilerzeugung zu unerwünschten Ergebnissen führen.
• Das Umschalten der Parameter der Regler geschieht standardmäßig ohne weitere Maßnahmen. Dies kann bei kleinen Änderungen der Parameter zu kleinen Überschwingern in den Strömen führen, die vernachlässigt werden können. Sind die Parameter der Regler sehr stark unterschiedlich, dann können beim Umschalten sehr hohe Phasenströme entstehen, die dem Wechselrichter oder der PSM schaden können.
• Wie bereits erwähnt, schaltet man in den meisten Fällen die Parameter ohne Maßnahmen um, wodurch Probleme beim Umschalten auf die neuen Regler-Parameter zu erwarten sind. Während des ersten Parametersatzes haben die Integratoren der beiden Ströme Werte, die nicht mehr zum aktuellen Zustand beim Umschalten auf den neuen, zweiten Parametersatz passen. Das Ergebnis können höhe Phasenströme sein, die möglicherweise zur Belastungen der Batterie oder Zerstörung der Endstufe führen können. Höhe Phasenströme können auch zur Teilentmagnetisierung des Permanentmagnetes der Maschine führen, was wiederum zu Schäden führen kann. Im Stand der Technik werden die Integratoren der PI-Regler in beiden Achsen d und q beim Umschalten entweder auf Null gesetzt oder ihre Werte vom vorherigen Zustand mit den alten Parametersätzen übernommen. Dies kann die Gefahr der hohen Ströme trotzdem nicht ganz verhindern (siehe z.B. Prof. Dr.-Ing. Joachim Böcker: „Geregelte Drehstromantriebe", Skript zur Vorlesung, Stand vom 16.07.2009, Universität Paderborn, Fachgebiet Leistungselektronik und elektrische Antriebstechnik).
• Deshalb ist es eine Aufgabe dieser Erfindung, ein Verfahren und eine Anordnung bereitzustellen, welche die oben genannten Nachteile beseitigt. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
• Vorgeschlagen wird erfindungsgemäß ein Verfahren zur Überwachung eines Betriebszustands einer Maschine, die mittels einer Feldorientierten Steuerung bzw. Regelung betrieben wird, umfassend zumindest jeweils einen Regler für die Eingangsströme der d- und q-Achse der FOR, wobei wenn ein unerwünschter Betriebszustand der Maschine erkannt wurde, eine Umschaltung von einem ersten Parametersatz der Regler für die d-Achse und für die q-Achse auf einen zweiten Parametersatz der Regler für die d-Achse und für die q-Achse erfolgt. Zum Umschalten wird der Parametersatz vom vorhergehenden Abtastschritt festgelegt und die Integratoren des vorhergehenden Abtastschritts werden wie folgt zurückberechnet: Y_Id2(k-1) = Y_Id1(k-1) + (K_{V_d1}·I_sdRefk – K_{V_d2}·I_sdRefk) + (K_{p_d1}·ΔI_sdk – K_{p_d2}·ΔI_sdk) GL. 11 Y_Iq2(k-1) = Y_Iq1(k-1) + (K_{V_q1}·I_sqRefk – K_{V_q2}·I_sqRefk) + (K_{p_q1}·ΔI_sqk – K_{p_q2}·ΔI_sqk) GL. 12 wobei die berechneten Integratorwerte zum Zeitpunkt der Umschaltung als Startwerte des zweiten Parametersatzes für die Integratoren der Regler eingesetzt werden.
• In einer Ausgestaltung umfasst jeder Parametersatz für jede Achse den Verstärkungsfaktor des P-Anteils, den Faktor des Integrators und den Vorsteuerfaktor. Bevorzugt umfasst jeder Parametersatz für jede Achse zusätzlich die Grenze der Integratoren und die Grenze der Regler-Ausgänge.
• Der Vorteil des vorgeschlagenen Verfahrens besteht darin, dass ein glatter Übergang in der FOR beim Umschalten von einem Parametersatz auf einen anderen Parametersatz bereitgestellt werden kann, so dass keine Strompeaks entstehen, die zu Schäden oder Ausfällen führen können. Somit erfolgt ein Schutz des Antriebs (Maschine + Wechselrichter + Batterie) und die Maschine kann optimal betrieben werden.
• In einer weiteren Ausführung umfasst jeder Regler zumindest drei Parametersätze, die appliziert und gespeichert sind. In einer weiteren Ausführung ist der Regler ein PI-Regler.
• Durch die Bereitstellung mehrerer Parametersätze kann auf unterschiedliche Situationen im Betrieb eingegangen werden, ohne zusätzliche Bauteile verwenden zu müssen.
• In einer weiteren Ausführung ist die Maschine eine permanenterregte Synchronmaschine mit zumindest oder genau drei Phasen, eine Gleichstrommaschine, eine Asynchronmaschine, ein Stellantrieb, ein Traktionsantrieb oder ein Servo-Antrieb ist.
• Vorgesehen ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung des Weiteren eine Anordnung, die mittels einer Feldorientierten Steuerung bzw. Regelung betrieben wird, zumindest umfassend zumindest jeweils einen Regler für die Eingangsströme der d- und q-Achse der FOR, eine Einrichtung zur Bereitstellung einer Differenz zwischen Soll- und Istwert eines Eingangsstromes in d- und q-Achse als Eingang für die Regler, eine Entkopplungseinrichtung, die dazu eingerichtet ist, den Ausgang des Reglers in Spannungen in d- und q-Achse zu berechnen, wobei die gegenseitigen Abhängigkeiten zwischen d- und q-Achse kompensiert werden, und eine Überwachungsebene, die dazu eingerichtet ist, bei Erkennen eines unerwünschten Betriebszustands der Maschine das Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche durchzuführen.
• Bevorzugt umfasst die Maschine zumindest zusätzlich einen Umsetzer, einen Vektormodulator, einen Pulswechselrichter und eine Abtasteinrichtung zur Abtastung des Phasenstroms zumindest einer der Phasen, sowie einen Positionssensor.
• In einer Ausgestaltung ist der Regler ein PI-Regler.
• In einer weiteren Ausführung ist die Maschine eine permanenterregte Synchronmaschine mit zumindest oder genau drei Phasen, eine Gleichstrommaschine, eine Asynchronmaschine, ein Stellantrieb, ein Traktionsantrieb oder ein Servo-Antrieb ist.
• Der Vorteil bei der Bereitstellung der Anordnung ist, dass sowohl mehrere Hardwarekomponenten als auch eine einzige Komponente, wie beispielsweise ein Mikrochip, auf dem die einzelnen Verfahrensschritte z.B. als Software implementiert sind, verwendet werden können. Ferner weist die Anordnung und deren Ausgestaltungen dieselben Vorteile wie vorher für das Verfahren beschrieben auf.
• Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnung, die erfindungsgemäße Einzelheiten zeigt, und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination bei einer Variante der Erfindung verwirklicht sein.
• Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert.
• 1 zeigt eine Darstellung unterschiedlicher Koordinatensysteme für eine PSM.
• 2 zeigt ein Strukturbild einer FOR einer PSM mit Entkopplung.
• 3 zeigt ein Strukturbild einer FOR einer PSM mit Überwachung des Antriebs für das Umschalten zwischen unterschiedlichen Parametersätzen gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
• 4 zeigt ein Ablaufdiagramm zur Überwachung des Antriebs für das Umschalten zwischen unterschiedlichen Parametersätzen gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
• 5 zeigt Verläufe einer Simulation an der Steuerung von 3 beim Umschalten zwischen Parametersätzen ohne Maßnahmen gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
• 6 zeigt Verläufe einer Simulation an der Steuerung von 3 beim Umschalten zwischen Parametersätzen mit Maßnahmen gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
• In den nachfolgenden Figurenbeschreibungen sind gleiche Elemente bzw. Funktionen mit gleichen Bezugszeichen versehen.
• Nachfolgend wird ein Konzept zum besseren Online Umschalten zwischen Parametersätzen der Regler bei der Feldorientierten Regelung der Maschine (FOR) dargestellt, mit dem ein sanfter bzw. glatter Übergang bei jedem Parametersatzwechsel erreicht wird und die Gefahr von hohen Phasenströmen oder Strompeaks verhindert wird.
• Die Online Änderung der Parametersätze der Regler wird für den Schutz des Antriebs (Maschine + Wechselrichter + Batterie) und für den optimalen Betrieb der Maschine verwendet. Durch die Umrechnung der Integratorwerte YIdk und YIqk, welche den aktuellern I-Anteil (= Integratorwert) des Ausganges des PI-Reglers in d- bzw. q-Achse darstellen, wird ein glatter Übergang in der FOR beim Umschalten von einem Parametersatz auf einen anderen Parametersatz angestrebt.
• Das dargestellte Konzept sieht vor, dass zum Zeitpunkt des Umschaltens der Regler von einem ersten Parametersatz 1 zu einem zweiten Parametersatz 2 in der FOR die Integratoren zurückberechnet werden, so dass die berechneten Regler-Ausgänge Ysd und Ysq mit dem zweiten Parametersatz 2 gleich der Regler-Ausgänge Ysd(k – 1) und Ysq(k – 1) mit dem ersten Parametersatz 1 zum Zeitpunkt (k – 1), also einem Abtastschritt zuvor, sind.
• Das vorgestellte Konzept kann für alle Arten von Maschinen, unter anderem Gleichstrommaschinen und Asynchronmaschinen, Stellantrieben (z.B. Servolenkung), Traktionsantrieben (z.B. Hybridfahrzeug, Elektromobilität) oder Servo-Antrieben in der Industrie (z.B. Papierherstellungsmaschine) eingesetzt werden und wird hier für eine mittels FOR geregelte PSM veranschaulicht.
• 3 zeigt ein Strukturbild einer in 2 gezeigten FOR mit der Überwachung des Antriebes anhand der aktuellen Phasenstromgrenze, Batteriestromgrenze, Batteriespannung und Drehzahl. Die Überwachung kann auch eine Wunsch-Dynamik in bestimmten Betriebsfällen oder einen erhöhten Schutz des Antriebs erfordern. Je nach Anwendung können weitere Parameter zur Überwachung herangezogen werden.
• 4 zeigt ein Ablaufdiagramm zur Überwachung der z.B. in 3 gezeigten Maschine. Im Normalfall wird die Maschine hier mit FOR betrieben. Dabei wird ein ausgewählter Parametersatz, hier P1 bis P4, für die d-Achse und für die q-Achse verwendet. Im Parametersatz sind für jede Achse z.B. der Verstärkungsfaktor des P-anteils (Kp), der Faktor des Integrators (Ki) und der Vorsteuerfaktor (Kv) enthalten. Auch die Grenze der Integratoren und die Grenze der Regler-Ausgänge können in den Parametersätzen enthalten sein. Die Parameter zur Überwachung werden durch die Überwachungsebene 300 verarbeitet und es wird geprüft, ob eine Umschaltung auf einen anderen Parametersatz nötig ist (S100). Wird ein unerwünschter Betriebszustand erkannt, so wird die Maschine mit einer FOR, die andere Parametersätze für die Regler verwendet, angesteuert. Dabei wird abhängig vom Arbeitspunkt und von der Überwachungsebene zwischen unterschiedlichen Parametersätzen umgeschaltet. Wenn dies nicht der Fall ist, dann erfolgt ein normaler Verlauf, d.h. es erfolgt keine Neuberechnung der Integratoren und auch kein Umschalten der Parametersätze, die FOR wird wie in 2 gezeigt, ausgeführt (S200). Ist ein Umschalten nötig, wird das vorher beschriebene Verfahren durchgeführt, das heißt, dass der Parametersatz vom vorhergehenden Abtastschritt festgelegt und die Integratoren neu berechnet werden (S101). Je nachdem welcher Parametersatz im vorhergehenden Abtastschritt aktiv war, wird der entsprechende Parametersatz des vorhergehenden Abtastschrittes berechnet. Im Diagramm war in Schritt S11 der erste Parametersatz im vorhergehenden Abtastschritt aktiv und die Integratorwerte in der d-, q-Achse werden in Schritt S111 anhand Gleichungen 11 und 12 berechnet. In Schritt S20 werden dann die Integratoren für jede Achse aus dem letzten Abtastschritt neu festgelegt und in Schritt S112 erfolgt die Umschaltung auf den zweiten Parametersatz. Dasselbe Prinzip wird angewendet, wenn der zweite Parametersatz im vorhergehenden Abtastschritt aktiv war, wie in Schritt S 12 gezeigt. Die Integratorwerte in der d-, q-Achse werden in Schritt S121 anhand Gleichungen 13 und 14 berechnet. In Schritt S20 werden dann die Integratoren für jede Achse aus dem letzten Abtastschritt neu festgelegt und in Schritt S122 erfolgt die Umschaltung auf den zweiten Parametersatz. Nach der Umschaltung erfolgen in Schritt S30 die FOR und das Verfahren wie in 3 gezeigt.
• Unerwünschte Betriebszustände und daraus zu ziehende Konsequenzen für die Regelung sind beispielsweise:
• – niedrige Batteriespannung: hier soll z.B. kein dynamischer Betrieb eingestellt werden, der die Batterie weiter stark belastet (z.B. durch Überschwinger)
• – niedrige Batteriestrom-Gradient-Grenze: hier kann eine hohe Dynamik zu starken Gradienten führen, die die Batterie belasten und damit zur Verringerung der Lebensdauer führen
• – niedrige Batteriestromgrenze: hier kann eine hohe Dynamik zu Überschwingern führen und damit zur Überschreitung der Stromgrenze. Das kann z.B. zur Beeinträchtigung der Funktionalität von anderen elektrischen Aggregaten im System führen, die mit der gleichen Batterie versorgt werden (z.B. in der Automobilindustrie)
• – niedrige Phasenstromgrenze: hier kann eine hohe Dynamik zu Überschwingern führen und damit zur Überschreitung der Stromgrenze. Dies kann dem Wechselrichter oder der Maschine schaden, wobei z.B. bei maximalen Belastungen der Maschine eine niedrige Dynamik und bei Teillast eine hohe Dynamik verwendet werden soll.
• – Verrauschte Strommessung in bestimmten Betriebsfällen: eine hohe Dynamik kann die Reaktion auf das Rauschen stärker machen und damit ein unruhiges Verhalten verursachen. Mit einer kleinen Dynamik kann der Einfluss des Rauschens geschwächt werden.
• Die Maschine kann auch mit anderen Parametersätzen für die Regler angesteuert werden, wenn eine Wunsch-Dynamik vorhanden ist, da z.B. bei einer Papierherstellungsmaschine kein Überschwinger in einer Betriebsphase erlaubt ist, aber sehr wohl beim Zurückfahren der Maschine zum Startpunkt.
• Ein Antrieb kann nach Bedarf mehrere Parametersätze der Regler umfassen, die appliziert und gespeichert werden. Beim Umschalten zwischen zwei der Parametersätze, beispielsweise zwischen einem ersten Parametersatz 1 und einem zweiten Parametersatz 2, kann das Ablaufdiagramm von 4 verwendet werden.
• Beim Online Umschalten von einem ersten Parametersatz 1 auf den zweiten bzw. einen anderen Parametersatz 2 und umgekehrt werden die Integratoren nach GL. 11 bis GL. 14 aus den Sollströmen (IsdRef, IsqRef), den aktuellen Soll-Ist-Differenzen der beiden Ströme in d- und q-Achse und den Regler-Parametern aus den beiden Parametersätzen zurückberechnet. Zum Zeitpunkt der Umschaltung innerhalb der FOR sind dann die Startwerte der Integratoren vorhanden, die zu einem glatten Verlauf der Maschinenströme führen. Der Weg zur Berechnung der Integratoren nach GL. 11 bis GL. 14 wird nachfolgend beschrieben.
• In der FOR aus 3 sind zwei PI-Regler 205 für die beiden Ströme Isd und Isq enthalten. Die FOR wird durchgeführt, in dem die Differenz zwischen Soll und Istwert des Stromes als Eingang des PI-Reglers verwendet wird. Abhängig von dieser Differenz wird eine Spannung oder ein Strom Y_d bzw. Y_q als Ausgang des Reglers generiert, der sich solange ändert, bis die Differenz verschwindet. Dazu kann ein Vorsteuerungsanteil für den Regler verwendet werden. Für den Regler in d-Achse bekommt man an seinem Ausgang: Y_d = K_{V_d} ·I_sdRefk + K_{p_d}·ΔI_sd + K_{I_d}∫ΔI_sd·dt Gl. 1
• Für den Regler in q-Achse gilt: Y_q = K_{V_q}·I_sqRefk + K_{p_q}·ΔI_sq + K_{I_q}∫ΔI_sq·dt GL. 2
• In diskreter Form ergeben sich aus GL. 1 und GL. 2 die GL. 3 und GL. 4 nach dem Eulerschen Diskretisierungsansatz: Y_dk = Y_Vdk + Y_Pdk + Y_Idk = K_{V_d}·I_sdRef + k_{p_d}·ΔI_sdk + (Y_Idk-1 + k_{I_d}·T·ΔI_sdk) GL. 3 Y_qk = Y_Vqk + Y_Pqk + Y_Iqk = K_{V_q}·I_sqRef + k_{p_q}·ΔI_sqk + (Y_Iqk-1 + k_{I_q}·T·ΔI_sqk) GL. 4
• Wobei

Ydk:

aktueller Ausgang des PI-Reglers in d-Achse

Yvdk:

aktueller Vorsteuerungsanteil des Ausgangs des Reglers in d-Achse

Ypdk:

aktueller P-Anteil des Ausganges des PI-Reglers in d-Achse

YIdk:

aktueller I-Anteil (Integratorwert) des Ausgangs des PI-Reglers in d-Achse

YId(k – 1):

I-Anteil (Integratorwert) des Ausgangs des PI-Reglers in d-Achse vom vorherigen Abtastschritt k – 1

IsdRefk:

aktueller Sollwert des Stromes in d-Achse

ed = ΔIsdk:

aktuelle Differenz zwischen Soll-IsdRefk und Istwert Isd des Stromes in d-Achse

Kp_d, KI_d, Kv_d:

Verstärkungs-, Integrators- und Vorsteuerungsfaktoren des Reglers in d-Achse,

T:

Abtastzeit des Reglers

Yqk:

aktueller Ausgang des PI-Reglers in q-Achse

Yvqk:

aktueller Vorsteuerungsanteil des Ausganges des Reglers in q-Achse

Ypqk:

aktueller P-Anteil des Ausganges des PI-Reglers in q-Achse

YIqk:

aktueller I-Anteil (Integratorwert) des Ausganges des PI-Reglers in q-Achse

YIq(k – 1):

I-Anteil des PI-Regler-Ausganges in q-Achse vom vorherigen Abtastschritt

IsqRefk:

aktueller Sollwert des Stromes in q-Achse.

eq = ΔIsqk:

aktuelle Differenz zwischen Soll-IsqRefk und Istwert Isq des Stromes in q-Achse

Kp_q, KI_q, Kv_q:

Verstärkungs-, Integrators- und Vorsteuerungsfaktoren des Reglers in q-Achse.

• Die Ausgänge der PI-Regler 205 in d-Achse Yd und in q-Achse Yq werden einem Entkopplungsnetzwerk 240 übergeben, um die gewünschten Spannungen Usd und Usq zu berechnen. Das Entkopplungsnetzwerk 240 hat die Aufgabe, die gegenseitige Abhängigkeit der beiden Achsen d und q zu kompensieren und hat unterschiedliche Ausführungen in der Literatur. Im Allgemeinen kann man den Zusammenhang zwischen der gestellten Spannung, der Ist-Ströme, der elektrischen Winkelgeschwindigkeit und dem Ausgang des Reglers im Entkopplungsnetzwerk als Funktion darstellen. Wenn das Entkopplungsnetzwerk-Konzept keine gemessenen Ströme (Isd, Isq) beinhaltet, so wird nur der Ausgang der PI-Regler 205 und die elektrische Winkelgeschwindigkeit ωs für die Berechnungen der Spannungen Usd und Usq verwendet: U_sd = f(Y_d, ω_el) GL. 5 U_sq = f(Yq, ω_el) GL. 6
• Durch das Konzept, dass durch die Umrechnung der Integratorwerte YIdk und YIqk ein glatter Übergang in der FOR beim Umschalten von einem Parametersatz auf einen anderen Parametersatz erzielt wird, müssen die Integratoren zurückberechnet werden, so dass die berechneten Regler-Ausgänge Ysd und Ysq mit dem zweiten Parametersatz 2 der Regler-Ausgänge Ysd(k – 1) und Ysq(k – 1) mit dem ersten Parametersatz 1 zum Zeitpunkt (k – 1) (ein Abtastschritt zuvor) übereinstimmen.
• Dies erfolgt, indem zuerst die Ausgänge der Regler in d, q-Koordinatensystem beim ersten Parametersatz 1 der Regler in der FOR betrachtet werden: Y_d1k = K_{V_d1}·I_sdRefk + K_{p_d1}·ΔI_sdk + Y_Id1(k-1) + K_{I_d1}·ΔI_sdk GL. 7 Y_q1k = K_{V_q1}·I_sqRefk + K_{p_q1}·ΔI_sqk + Y_Iq1(k-1) + K_{I_q1}·ΔI_sqk GL. 8
• Benutzt man den zweiten Parametersatz 2 der Regler in der FOR, so können die Ausgänge der Regler im d, q-Koordinatensystem bei gleichen Sollwerten und Soll-Istwerte-Differenz aussehen: Y_d2k = K_{V_d2}·I_sdRefk + K_{p_d2}·ΔI_sdk + Y_Id2(k-1) + K_{I_d2}·ΔI_sdk GL. 9 Y_q2k = K_{V_q2}·I_sqRefk + K_{p_q2}·ΔI_sqk + Y_Iq2(k-1) + K_{I_q2}·ΔI_sqk GL. 10
• Um einen glatten Übergang zu erreichen, sollten die Regler-Ausgänge in beiden Parametersätzen möglichst gleich sein. Dabei sind die Integratoren Yd und Yq vom alten Abtastschritt k – 1 entscheidend für diese Bedingung, da die Sollwerte und die Soll-Istwerte-Differenz am Anfang des neuen Abtastschritts vorliegen. Unter der Bedingung, dass Yd1 = Yd2 und Yq1 = Yq2 sind, können die Integratoren vom Abtastschritt für den neuen Ausgangsregler zurückberechnet werden. Für das Umschalten vom ersten Parametersatz 1 auf den zweiten Parametersatz 2 erhält man die Integratoren Yd2(k – 1) und Yq2(k – 1): Y_Id2(k-1) = Y_Id1(k-1) + (K_{V_d1}·I_sdRefk – K_{V_d2}·I_sdRefk) + (K_{p_d1}·ΔI_sdk – K_{p_d2}·ΔI_sdk) GL. 11 Y_Iq2(k-1) = Y_Iq1(k-1) + (K_{V_q1}·I_sqRefk – K_{V_q2}·I_sqRefk) + (K_{p_q1}·ΔI_sqk – K_{p_q2}·ΔI_sqk) GL. 12
• Für das Umschalten vom Parametersatz 2 auf Parametersatz 1 erhält man die Integratoren Yd1(k – 1) und Yq1(k – 1) vom alten Abtastschritt für einen glatten Übergang anhand der GL. 13 und GL. 14: Y_Id1(k-1) = Y_Id2(k-1) + (K_{V_d2}·I_sdRefk – K_{V_d1}·I_sdRefk) + (K_{p_d2}·ΔI_sdk – K_{p_d1}·ΔI_sdk) GL. 13 Y_Iq1(k-1) = Y_Iq2(k-1) + (K_{V_q2}·I_sqRefk – K_{V_q1}·I_sqRefk) + (K_{p_q2}·ΔI_sqk – K_{p_q1}·ΔI_sqk) GL. 14
• Wobei:

KP_d1, KI_d1, KV_d1:

Verstärkungs-, Integrators- und Vorsteuerungsfaktor des Reglers in d-Achse für Parametersatz 1.

KP_q1, KI_q1, KV_q1:

Verstärkungs-, Integrators- und Vorsteuerungsfaktor des Reglers in q-Achse für Parametersatz 1.

KP_d2, KI_d2, KV_d2:

Verstärkungs-, Integrators- und Vorsteuerungsfaktor des Reglers in d-Achse für Parametersatz 2.

KP_q2, KI_q2, KV_q2:

Verstärkungs-, Integrators- und Vorsteuerungsfaktor des Reglers in q-Achse für Parametersatz 2.

• Setzt man die Integratorwerte aus GL. 11 und GL. 12 als Startwerte der PI-Integratoren (d-Integrator und q-Integrator) zum Zeitpunkt der Umschaltung von der FOR mit dem ersten Parametersatz 1 auf die FOR mit dem zweiten Parametersatz 2 ein, so verhält sich die FOR, als ob sie einen Abtastschritt zuvor mit dem zweiten Parametersatz 2 aktiv war. Die neu berechneten Spannungen von der FOR zeigen keine Unstetigkeiten, wie in 6 zu sehen ist. Damit werden unerwünschte Strompeaks im Übergang zwischen zwei Parametersätzen verhindert.
• 5 zeigt Verläufe einer Simulation des Verhaltens einer Maschine beim Übergang von der FOR mit einem ersten Parametersatz auf die FOR mit einem zweiten Parametersatz und umgekehrt ohne zusätzliche Maßnahmen. Die Ströme übersteigen zum Zeitpunkt des Umschaltens 150A und können bei anderen Betriebspunkten noch größer sein. Bei dieser Maschine in dieser Simulation darf ein maximaler Phasenstrom von 110A nicht überschritten werden.
• 6 zeigt Verläufe des Verhaltens der gleichen Maschine aus 5 mit Berechnung der Integratoren nach GL. 11 bis 12 für das Umschalten von einem ersten Parametersatz auf einen zweiten Parametersatz und nach GL. 13 und 14 für den umgekehrten Fall. Man kann sehen, dass der Übergang trotz hohen Drehzahlen glatt aussieht.
• Aus der vorhergehenden Beschreibung und den Simulationsergebnissen sind nachfolgende Vorteile des vorgeschlagenen Konzepts zur Überwachung der Maschine beim Umschalten zwischen zwei Parametersätzen zu erkennen:
• – Die Maschine kann durch das Umschalten der Parametersätze unterschiedliche Dynamiken ohne Strompeaks beim Umschalten zu verursachen fahren.
• – Die Maschine kann geschützt werden, ohne sie auszuschalten
• – Unerwünschte Belastungen der Batterie (z.B. Spitzen) können vermieden werden.
• Die oben bereits erwähnten unerwünschten Betriebszustande können vermieden werden, wodurch die Lebensdauer des Antriebes erhöht werden kann und die Maschine optimal ausgenutzt werden kann.
• Zusätzlich können die Nachteile von Strompeaks beim Übergang zwischen zwei Parametersätzen des Reglers durch das optimale Umschalten der Parametersätze der Regler (ohne Strompeaks) vermieden werden. Strompeaks können akustische Probleme verursachen, sie können zum Ausschalten der Endstufe führen, sie verringern die Lebensdauer der Endstufe und Batterien, sie können die Halbleiter zerstören oder die Magnete einer PSM teil entmagnetisieren.
• Bezugszeichenliste

100

Drehfeldmaschine

101

Rotor

102

Drehachse

103

Permanentmagnet

Ψ_PM

Fluss des Permanentmagneten

Θ_el

elektrischer Winkel der Maschine

Θ_mech

mechanischer Winkel der Maschine

205

Steuerkomponente

210

Umsetzer

215

Vektormodulator

220

Pulswechselrichter

225

Abtasteinrichtung / Stromsensoren

230

Positionssensor

240

Entkopplungseinrichtung

300

Überwachungsebene

Z_P

Polpaarzahl der Maschine

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Nicht-Patentliteratur
• Prof. Dr.-Ing. Joachim Böcker: „Geregelte Drehstromantriebe“, Skript zur Vorlesung, Stand vom 16.07.2009, Universität Paderborn, Fachgebiet Leistungselektronik und elektrische Antriebstechnik [0010]

Claims (10)

1. Verfahren zur Überwachung eines Betriebszustands einer Maschine (100), die mittels einer Feldorientierten Steuerung bzw. Regelung, kurz FOR, betrieben wird, umfassend zumindest jeweils einen Regler (205) für die Eingangsströme (I_sd, I_sq) der d- und q-Achse der FOR, wobei – wenn ein unerwünschter Betriebszustand der Maschine (100) erkannt wurde, eine Umschaltung von einem ersten Parametersatz der Regler (205) für die d-Achse und für die q-Achse auf einen zweiten Parametersatz der Regler (205) für die d-Achse und für die q-Achse erfolgt, wobei – zum Umschalten der erste Parametersatz vom vorhergehenden Abtastschritt (k – 1) festgelegt wird und die Integratoren (Y_Id(k-1), Y_Iq(k-1)) des vorhergehenden Abtastschritts wie folgt zurückberechnet werden: Y_Id2(k-1) = Y_Id1(k-1) + (K_{V_d1}·I_sdRefk – K_{V_d2}·I_sdRefk) + (K_{p_d1}·ΔI_sdk – K_{p_d2}·ΔI_sdk) GL. 11 Y_Iq2(k-1) = Y_Iq1(k-1) + (K_{V_q1}·I_sqRefk – K_{V_q2}·I_sqRefk) + (K_{p_q1}·ΔI_sqk – K_{p_q2}·ΔI_sqk) GL. 12 und wobei die berechneten Integratorwerte (Y_Id(k-1), Y_Iq(k-1)) zum Zeitpunkt der Umschaltung als Startwerte des zweiten Parametersatzes für die Integratoren (Y_d, Y_q) der Regler (205) eingesetzt werden, mit Y_Idk, Y_Iqk: aktueller I-Anteil (Integratorwert) des Ausgangs des Reglers (205) in d- bzw. q-Achse Y_Id(k-1), Y_Iq(k-1): I-Anteil (Integratorwert) des Ausgangs des Reglers (205) in d- bzw. q-Achse vom vorherigen Abtastschritt k – 1 I_sdRefk, I_sqRefk: aktueller Sollwert des Stromes in d- bzw. q-Achse ΔIsdk, ΔIsqk: aktuelle Differenz zwischen Soll-IsdRefk und Istwert Isd des Stromes in d- bzw. q-Achse Kp_d, Kv_d; Kp_q, Kv_q: Verstärkungs-, und Vorsteuerungsfaktoren des Reglers (205) in d- bzw. q-Achse, K_{P_d1}, K_{V_d1}; K_{P_q1}, K_{V_q1}: Verstärkungs-, und Vorsteuerungsfaktor des Reglers (205) in d- bzw. q-Achse für den ersten Parametersatz, K_{P_d2}, K_{V_d2}; K_{P_q2}, K_{V_q2}: Verstärkungs-, Integrators- und Vorsteuerungsfaktor des Reglers (205) in d- bzw. q-Achse für den zweiten Parametersatz.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei jeder Parametersatz für jede Achse den Verstärkungsfaktor des P-Anteils (Kp), den Faktor des Integrators (Ki) und den Vorsteuerfaktor (Kv) umfasst.
3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei jeder Parametersatz für jede Achse zusätzlich die Grenze der Integratoren und die Grenze der Regler-Ausgänge umfasst.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jeder Regler (205) zumindest drei Parametersätze umfasst, die appliziert und gespeichert sind.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Regler (205) ein PI-Regler ist.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Maschine (100) eine permanenterregte Synchronmaschine mit zumindest oder genau drei Phasen (U, V, W), eine Gleichstrommaschine, eine Asynchronmaschine, ein Stellantrieb, ein Traktionsantrieb oder ein Servo-Antrieb ist.
7. Anordnung zur Überwachung einer Maschine (100), die mittels einer Feldorientierten Steuerung bzw. Regelung, kurz FOR, betrieben wird, zumindest umfassend: – zumindest jeweils einen Regler (205) für die Eingangsströme (I_sd, I_sq) der d- und q-Achse der FOR; – eine Einrichtung zur Bereitstellung einer Differenz zwischen Soll- und Istwert eines Eingangsstromes (I_sd, I_sq) in d- und q-Achse als Eingang für die Regler (205); – eine Entkopplungseinrichtung (240), die dazu eingerichtet ist, den Ausgang des Reglers (205) in Spannungen in d- und q-Achse zu berechnen, wobei die gegenseitigen Abhängigkeiten zwischen d- und q-Achse kompensiert werden; – eine Überwachungsebene (300), die dazu eingerichtet ist, bei Erkennen eines unerwünschten Betriebszustands der Maschine (100) das Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche durchzuführen.
8. Anordnung nach Anspruch 7, wobei die Maschine (100) zumindest zusätzlich umfasst: einen Umsetzer (210), einen Vektormodulator (215), einen Pulswechselrichter (220) und eine Abtasteinrichtung (225) zur Abtastung des Phasenstroms (Isu, Isv, Isw) zumindest einer der Phasen (U, V, W), sowie einen Positionssensor (230);
9. Anordnung nach einem der Ansprüche 7 oder 8, wobei der Regler (205) ein PI-Regler ist.
10. Anordnung nach Anspruch 7 bis 9, wobei die Maschine (100) eine permanenterregte Synchronmaschine mit zumindest oder genau drei Phasen (U, V, W), eine Gleichstrommaschine, eine Asynchronmaschine, ein Stellantrieb, ein Traktionsantrieb oder ein Servo-Antrieb ist.

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