DE102016205462A1 - Method for determining a rotor position of a rotating, multi-phase, electrical machine fed by means of a PWM-controlled inverter - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung einer Rotorlage einer mittels eines PWM-gesteuerten Wechselrichters gespeisten, rotierenden, mehrphasigen, elektrischen Maschine. Hierbei wird mittels mehrmaligem Verändern einer von einem Regler vorgegebenen Spannung (ucontrol) eine Stromänderung erzielt. Die Stromänderung wird anschließend bestimmt, indem ein Stromverlauf von Phasenströmen (ia, ib, ic) durch mehrmaliges, zeitgleiches Messen wenigstens eines ersten Phasenstroms (ia) und eines zweiten Phasenstroms (ib) ermittelt und über Modellfunktionen angenähert wird. Aus dieser erfassten Stromänderung wird anschließend die Rotorlage bestimmt.The invention relates to a method for determining a rotor position of a means of a PWM-controlled inverter fed, rotating, multi-phase, electric machine. In this case, a change in current is achieved by repeatedly changing a predetermined voltage from a regulator (ucontrol). The current change is subsequently determined by determining a current profile of phase currents (ia, ib, ic) by measuring at least a first phase current (ia) and a second phase current (ib) several times and approximating them via model functions. From this detected current change, the rotor position is then determined.
Description
Stand der Technik State of the art
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung einer Rotorlage einer mittels eines PWM-gesteuerten Wechselrichters gespeisten, rotierenden, mehrphasigen, elektrischen Maschine. The invention relates to a method for determining a rotor position of a means of a PWM-controlled inverter fed, rotating, multi-phase, electric machine.
Solch ein Verfahren ist beispielsweise in der Offenlegungsschrift
Offenbarung der Erfindung Disclosure of the invention
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung einer Rotorlage einer mittels eines PWM-gesteuerten Wechselrichters gespeisten, rotierenden, mehrphasigen, elektrischen Maschine. Das Verfahren umfasst die Verfahrensschritte:
- a. Mehrmaliges Verändern einer durch einen Regler zur Ansteuerung der elektrischen Maschine vorgegebenen Spannung zwischen einem ersten Reglerabtastschritt und einem zweiten Reglerabtastschritt, indem jeweils zusätzliche Spannungen mit unterschiedlicher Amplitude zusätzlich zur vorgegebenen Spannung eingespeist werden, um eine lageabhängige Stromänderung zu erzielen,
- b. Mehrmaliges PWM-synchrones Messen wenigstens eines ersten Phasenstroms und jeweils zeitgleich eines zweiten Phasenstroms zwischen dem ersten Reglerabtastschritt und dem zweiten Reglerabtastschritt, um einen Stromverlauf aller Phasenströme zu erhalten,
- c. Bestimmen der lageabhängigen Stromänderung, welche durch das Verändern der vorgegebenen Spannung entsteht, in Abhängigkeit des in Verfahrensschritt b erhaltenen Stromverlaufs der Phasenströme und den in Verfahrensschritt a zusätzlich eingespeisten Spannungen, wobei der Stromverlauf in einen ersten Strom, welcher ohne Veränderung der vorgegebenen Spannung fließen würde, und einen zweiten Strom, welcher durch die Veränderung der vorgegebenen Spannung erzeugt wird, unterteilt wird, und wobei der erste Strom mittels einer ersten Modellfunktion und der zweite Strom mittels einer zweiten Modellfunktion mit jeweils unbekannten Parametern angenähert wird,
- d. Bestimmen der Rotorlage in Abhängigkeit von der bestimmten, lageabhängigen Stromänderung,
- a. Changing a voltage predetermined by a controller for driving the electrical machine a plurality of times between a first controller sampling step and a second controller sampling step by respectively supplying additional voltages of different amplitude in addition to the predetermined voltage to obtain a position-dependent current change;
- b. Repeated PWM synchronous measurement of at least a first phase current and at the same time a second phase current between the first controller sampling step and the second controller sampling step to obtain a current waveform of all phase currents,
- c. Determining the position-dependent current change, which arises by changing the predetermined voltage, as a function of the current waveform of the phase currents obtained in step b and the additionally fed in step a voltages, the current waveform in a first current, which would flow without changing the predetermined voltage, and a second current, which is generated by the change of the predetermined voltage, is divided, and wherein the first current is approximated by means of a first model function and the second current by means of a second model function, each with unknown parameters,
- d. Determining the rotor position as a function of the determined position-dependent current change,
Zusammenfassend kann somit gesagt werden, dass die Erfindung ein Verfahren zur Bestimmung einer Rotorlage einer mittels eines PWM-gesteuerten Wechselrichters gespeisten, rotierenden, mehrphasigen, elektrischen Maschine betrifft. Hierbei wird mittels mehrmaligem Verändern einer von einem Regler vorgegebenen Spannung eine Stromänderung erzielt. Die Stromänderung wird anschließend bestimmt, indem ein Stromverlauf von Phasenströmen durch mehrmaliges, zeitgleiches Messen wenigstens eines ersten Phasenstroms und eines zweiten Phasenstroms ermittelt und über Modellfunktionen angenähert wird. Aus dieser erfassten Stromänderung wird anschließend die Rotorlage bestimmt. In summary, it can thus be stated that the invention relates to a method for determining a rotor position of a rotating, multiphase, electrical machine fed by means of a PWM-controlled inverter. In this case, a change in current is achieved by repeatedly changing a predetermined voltage from a controller. The change in current is then determined by determining a current profile of phase currents by measuring at least a first phase current and a second phase current several times, at the same time, and approximating them via model functions. From this detected current change, the rotor position is then determined.
Vorteilhaft ist, dass durch die erhöhte Anzahl der Messungen gegenüber der Anzahl der unbekannten Parameter die Genauigkeit bei der Bestimmung der Rotorlage erhöht werden kann. Zudem ergibt sich eine Verbesserung des Signal-zu-Rausch-Verhältnisses, wodurch die Geräuschentwicklung verringert wird, welche durch die Rotorlagenbestimmung bedingt ist. Des Weiteren bietet das Verfahren mehr Möglichkeiten die vorgegebene Spannung zu modifizieren, wodurch die zusätzlichen Spannungen derartig ausgewählt werden können, dass die Geräuschentwicklung weiter verringert wird. It is advantageous that the accuracy in determining the rotor position can be increased by the increased number of measurements compared to the number of unknown parameters. In addition, there is an improvement in the signal-to-noise ratio, whereby the noise is reduced, which is due to the rotor position determination. Furthermore, the method offers more opportunities to modify the predetermined voltage, whereby the additional voltages can be selected such that the noise is further reduced.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass die durch das Verändern der vorgegebenen Spannung erzeugte Stromänderung verschiedene Frequenzen aufweist. Vorteilhaft ist hierbei, dass hierdurch die Geräuschentwicklung weiter optimiert werden kann, indem beispielsweise die zusätzlichen Spannungen derart gewählt werden, dass die Stromänderung einen hochfrequenten Anteil, welcher ein Geräusch außerhalb des hörbaren Bereichs erzeugt, und einen niederfrequenten Anteil, welcher ein Geräusch mit einer sehr kleinen und somit nicht hörbaren Amplitude erzeugt, aufweist. In an advantageous embodiment of the method according to the invention it is provided that the current change generated by changing the predetermined voltage has different frequencies. The advantage here is that this way the noise can be further optimized by, for example, the additional voltages are chosen such that the current change a high-frequency component, which generates a noise outside the audible range, and a low-frequency component, which generates a noise with a very small and thus produces inaudible amplitude.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass die Rotorlage mittels einer Linearkombination aus dem Stromverlauf der Phasenströmen bestimmt wird, wobei alle verschiedenen Frequenzen berücksichtigt werden. Vorteilhaft ist hierbei, dass die Linearkombination eine einfache Möglichkeit der Bestimmung der Rotorlage bietet und durch die Berücksichtigung aller Frequenzen der Stromänderung die Geräuschentwicklung entsprechend verringert werden kann. According to an advantageous embodiment of the method according to the invention it is provided that the rotor position is determined by means of a linear combination of the current profile of the phase currents, taking into account all the different frequencies. The advantage here is that the linear combination provides a simple way of determining the rotor position and by taking into account all frequencies of the current change, the noise can be reduced accordingly.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass die Frequenzen zwischen einer Reglerabtastfrequenz, mit welcher der Regler abtastet, und einer Stellfrequenz, mit welcher die zusätzlichen Spannungen eingespeist werden, liegen. According to a further advantageous embodiment of the method according to the invention it is provided that the frequencies between a Reglerabtastfrequenz, with which the controller scans, and a control frequency, with which the additional voltages are fed, are.
Vorteilhaft ist hierbei, dass sich die Stromänderung in diesem Frequenzbereich mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens optimal erfassen lässt, um somit bei der Bestimmung der Rotorlage ein großes Signal-Rausch-Verhältnis zu erhalten. It is advantageous here that the current change in this frequency range can be detected optimally by means of the method according to the invention, in order thus to obtain a high signal-to-noise ratio in determining the rotor position.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass die Bestimmung der Rotorlage mittels der Methode der kleinsten Quadrate erfolgt. Vorteilhaft ist hierbei, dass die Bestimmung der Rotorlage möglichst einfach und somit ohne großen Rechenaufwand und schnell erfolgen kann. In a further advantageous embodiment of the method according to the invention it is provided that the determination of the rotor position by means of the method of least squares takes place. The advantage here is that the determination of the rotor position as simple as possible and thus can be done quickly and without much computational effort.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass das Verändern der vorgegebenen Spannung im Verfahrensschritt a und das PWM-synchrone Messen des wenigstens ersten Phasenstroms und des zweiten Phasenstroms im Verfahrensschritt b je zweimal in einer PWM-Periode erfolgen. Vorteilhaft ist hierbei, dass dadurch der Frequenzbereich mit der die Veränderung der Spannungen erfolgen kann, und die Anzahl der Strommesswerte für die Auswertung vergrößert werden, ohne dabei bei der Auswertung den Einfluss von Stromrippel durch die PWM-Taktung berücksichtigen zu müssen. Eine größere Anzahl an Strommesswerte verbessert das Signal-zu-Rausch-Verhältnis der bestimmten Rotorlage. According to a further advantageous embodiment of the method according to the invention, it is provided that the changing of the predetermined voltage in method step a and the PWM-synchronous measuring of the at least first phase current and the second phase current in method step b occur twice each in a PWM period. It is advantageous hereby that thereby the frequency range with which the change of the voltages can take place, and the number of current measured values for the evaluation are increased, without having to consider the influence of current ripple by the PWM clocking during the evaluation. A larger number of current readings improves the signal-to-noise ratio of the particular rotor position.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass im Verfahrensschritt c die Stromänderung unabhängig für jede Phase aus dem Stromverlauf der Phasenströme bestimmt wird, und dass im Verfahrensschritt d die Rotorlage in Abhängigkeit der Stromänderung aus allen Phasen bestimmt wird. Vorteilhaft ist hierbei, dass der Rechenaufwand für die Bestimmung der Rotorlage durch die getrennte Bestimmung der Stromänderung für jeden Phasenstrom verringert wird. According to a further advantageous embodiment of the method according to the invention, it is provided that in step c, the current change is determined independently for each phase from the current waveform of the phase currents, and that in step d, the rotor position is determined as a function of the current change from all phases. The advantage here is that the computational effort for the determination of the rotor position is reduced by the separate determination of the current change for each phase current.
Zeichnungen drawings
Beschreibung von Ausführungsbeispielen Description of exemplary embodiments
In einem Verfahrensschritt b wird des Weiteren wenigstens ein erster Phasenstrom ia und jeweils zeitgleich ein zweiter Phasenstrom ib zwischen dem ersten Reglerabtastschritt tcontrol,1 und dem zweiten Reglerabtastschritt tcontrol,2 PWM-synchron gemessen, um einen Stromverlauf aller Phasenströme zu erhalten. Werden bei einer dreiphasig ausgestalteten elektrischen Maschine beispielsweise lediglich der erste Phasenstrom ia und der zweite Phasenstrom ib gemessen, so kann ein dritter Phasenstrom ic mittels des ersten Kirchhoff‘schen Gesetzes aus dem ersten Phasenstrom ia und dem zweiten Phasenstrom ib bestimmt werden:
Alternativ kann der dritte Phasenstrom ic auch gemessen werden. Dabei sollte die Abtastfrequenz des Stroms fmeas, mit welcher die Phasenströme ia, ib oder auch ic gemessen werden, mindestens das doppelte der Injektionsfrequenz finj betragen, mit welcher die zusätzlichen Spannungen uinj injiziert werden und welche hier der PWM-Frequenz fPWM entspricht. Zudem sollte die Injektionsfrequenz finj minimal die Hälfte der Reglerabtastfrequenz fcontrol betragen. Hieraus lässt sich folgern, dass zwischen dem ersten Reglerabtastschritt tcontrol,1 und dem zweiten Reglerabtastschritt tcontrol,2 eine Anzahl von n Messungen der Phasenströme ia, ib erfolgen, wobei diese Anzahl sich berechnen lässt zu:
Beispielhaft kann die Reglerabtastfrequenz fcontrol 2kHz, die PWM-Frequenz fPWM 16kHz und die Abtastfrequenz der Phasenströme fmeas 32kHz betragen. Alternativ ist es auch möglich, dass die Injektion zusätzlicher Spannungen uinj sowie das Messen der Phasenströme ia, ib oder auch ic zweimal in einer PWM-Periode erfolgt. By way of example, the controller sampling frequency f control can be 2 kHz, the PWM frequency f PWM 16 kHz and the sampling frequency of the phase currents f meas 32 kHz. Alternatively, it is also possible that the injection of additional voltages u inj and the measurement of the phase currents i a , i b or i c takes place twice in a PWM period.
Anschließend wird in einem Verfahrensschritt c die Stromänderung bestimmt, welche durch das Verändern der vorgegebenen Spannung ucontrol im Verfahrensschritt a entsteht. Dabei erfolgt die Bestimmung der Stromänderung in Abhängigkeit des in Schritt b erhalten Stromverlaufs der Phasenströme ia, ib, ic und der im Verfahrensschritt a zusätzlich eingespeisten Spannungen uinj. Hierfür wird der im Verfahrensschritt b erhaltene Stromverlauf in einen ersten Strom icontrol, welcher ohne Veränderung der vorgegebenen Spannung ucontrol fließen würde, und einen zweiten Strom iinj, welcher durch das Verändern der Spannung ucontrol erzeugt wird, unterteilt und der erste Strom icontrol mittels einer ersten Modellfunktion und der zweite Strom iinj mittels einer zweiten Modellfunktion angenähert. Die erste und zweite Modellfunktion haben jeweils eine gewisse Anzahl von unbekannten Parametern. Hierbei wird jedoch vorausgesetzt, dass die Anzahl der unbekannten Parameter geringer ist als die Anzahl der in Verfahrensschritt b durchgeführten Messungen der Phasenströme ia, ib. Unter der Annahme, dass zwischen dem ersten Reglerabtastschritt tcontrol,1 und dem zweiten Reglerabtastschritt tcontrol,2 die vom Regler vorgegebene Spannung ucontrol im rotorfesten Koordinatensystem konstant ist, kann der erste Strom icontrol beispielsweise mit einem Polynom erster oder zweiter Ordnung gut approximiert werden. Der zweite Strom iinj kann beispielsweise über ein lineares Modell approximiert werden. Es wird hierbei davon ausgegangen, dass ein Spannungsabfall an Phasenwiderständen keinen Einfluss auf den Verlauf des zweiten Stroms iinj hat. Außerdem wird angenommen, dass eine Induktivität der elektrischen Maschine zwischen dem ersten Reglerabtastschritt tcontrol,1 und dem zweiten Reglerabtastschritt tcontrol,2 konstant ist. Die erste und zweite Modellfunktion können anschließend zum Beispiel mittels eines Least-Squares-Verfahren approximiert und hieraus die unbekannten Parameter der Modellfunktionen ermittelt werden. Alternativ kann die Stromänderung auch unabhängig für jede Phase bestimmt werden. Subsequently, in a method step c, the current change is determined, which is produced by changing the predetermined voltage u control in method step a. Here, c and additionally fed in process step a voltages u inj determining the current change takes place in dependence of the current waveform obtained in step b of the phase currents i a, i b, i. For this purpose, the current waveform obtained in step b is divided into a first current i control , which would flow without changing the predetermined voltage u control , and a second current i inj , which is generated by changing the voltage u control , and the first current i control by means of a first model function and the second current i inj approximated by means of a second model function. The first and second model functions each have a certain number of unknown parameters. In this case, however, it is assumed that the number of unknown parameters is less than the number of measurements made in method step b of the phase currents i a , i b . Assuming that the voltage u control given by the controller is constant in the rotor-fixed coordinate system between the first controller sampling step t control, 1 and the second controller sampling step t control, 2 , the first current i control can be well approximated, for example, with a first or second order polynomial become. The second current i inj can be approximated, for example, via a linear model. It is assumed here that a voltage drop at phase resistances has no influence on the course of the second current i inj . In addition, it is assumed that an inductance of the electric machine is constant between the first controller sampling step t control, 1 and the second controller sampling step t control, 2 . The first and second model functions can then be approximated, for example, by means of a least squares method, and the unknown parameters of the model functions can be determined therefrom. Alternatively, the current change can also be determined independently for each phase.
Danach wird in einem Verfahrensschritt d die Rotorlage der elektrischen Maschine in Abhängigkeit der in Verfahrensschritt c bestimmten Stromänderung bestimmt und anschließend das Verfahren beendet. Wird die Stromänderung im Verfahrensschritt unabhängig für jede Phase bestimmt, kann die Rotorlage anschließend aus einer Linearkombination der Stromänderung aller Phasen bestimmt werden. Thereafter, in a method step d, the rotor position of the electric machine is determined as a function of the current change determined in method step c, and the method is then terminated. If the current change in the method step is determined independently for each phase, the rotor position can subsequently be determined from a linear combination of the current change of all phases.
In einem alternativen, nicht bildlich dargestellten Ausführungsbeispiel kann das Verfahren regelmäßig neu gestartet werden, um fortlaufend die Rotorlage der elektrischen Maschine zu bestimmen. In an alternative, not illustrated embodiment, the method can be restarted regularly to continuously determine the rotor position of the electric machine.
Des Weiteren ist ein zeitlicher Verlauf des ersten Phasenstroms ia dargestellt, welcher sich durch die vorgegebene Spannung ucontrol und die zusätzlichen Spannungen uinj einstellt. Zudem ist die Dauer einer PWM-Periode dargestellt, welche den Kehrwert der PWM-Frequenz fPWM darstellt. Zusätzlich ist der Abstand zwischen den jeweiligen Messungen des Phasenstroms ia als Kehrwert der Messfrequenz fmeas dargestellt. Furthermore, a time profile of the first phase current i a is shown, which adjusts itself by the predetermined voltage u control and the additional voltages u inj . In addition, the duration of a PWM period is shown, which represents the reciprocal of the PWM frequency f PWM . In addition, the distance between the respective measurements of the phase current i a is shown as the inverse of the measuring frequency f meas .
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