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Die Erfindung betrifft Winkelerfassungsvorrichtung zum Bestimmen eines Winkels einer permanent erregten Synchronmaschine, mit einem Winkelsensor, mit einer Modell-Referenz-Regelung, mit einer Umschalteinrichtung zwischen dem Winkelsensor und der Modell-Referenz-Regelung und mit einem ersten Resolver zum Umwandeln von ersten Wechselgrößen der permanent erregten Synchronmaschine in erste Gleichgrößen der permanent erregten Synchronmaschine in Abhängigkeit eines Winkelsignals, wobei in Abhängigkeit des Winkelsensors und/oder der Modell-Referenz-Regelung der Winkel bestimmt ist. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Bestimmen eines Winkels einer permanent erregten Synchronmaschine.
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Die feldorientierte Regelung permanent erregter Synchronmaschinen erfordert in den meisten Fällen die Kenntnis der genauen Position des Rotors der Maschine. Diese Information wird verwendet, um die zeitvariablen Systemgrößen, beispielsweise Phasenstrom und Phasenspannung, mit anderen Worten den Wechselgrößen, durch Anwendung einer entsprechenden Transformation in Gleichgrößen umzuwandeln und dadurch die Regelung der permanent erregten Synchronmaschine zu vereinfachen. Der Verzicht auf Sensoren zur Erfassung des Winkelsignals ist Gegenstand zahlreicher wissenschaftlicher Untersuchungen und wird vielfach in der Praxis eingesetzt. Hierbei existieren verschiedene Verfahren, um Rotorposition und Drehzahl ohne den Einsatz von Lagegebern zu bestimmen, beispielsweise ist aus dem Stand der Technik die Modell-Referenz-Regelung bekannt, welche auch als MRAS-Verfahren (Model Reference Adaptive Systems) bezeichnet wird.
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Ferner offenbart die
CN 102769425 B ein Permanentmagnet-Synchronmotor-Steuerverfahren, das auf einem adaptiven Modell Referenzsystem und einer Fuzzy-Steuerung basiert. Die Rotordrehzahl eines Permanentmagnet-Synchronmotors wird unter Verwendung des MRAS geschätzt, das durch die Installation eines mechanischen Sensors verursachte Problem wird gelöst. Wenn sich der Permanentmagnet-Synchronmotor mit niedriger Geschwindigkeit dreht, ist ein Steuereffekt, der auf einem geschwindigkeitssensorlosen Vektorsteuerverfahren beruht, schlecht und die Belastbarkeit ist gering. Das Vektorsteuerverfahren für den Permanentmagnet-Synchronmotor, der mit niedriger Geschwindigkeit dreht, wird durch einen Fuzzy-Steuerungs Algorithmus ersetzt, sodass ein Steuerungsalgorithmus für den Permanentmagnet-Synchronmotor, der sich mit niedriger Geschwindigkeit dreht, bereitgestellt wird.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Winkelerfassungsvorrichtung sowie ein Verfahren zu schaffen, mittels welchen verbessert ein Winkel einer permanent erregten Synchronmaschine bestimmt werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch eine Winkelerfassungsvorrichtung sowie durch ein Verfahren gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungsformen sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Ein Aspekt der Erfindung betrifft eine Winkelerfassungsvorrichtung zum Bestimmen eines Winkels einer permanent erregten Synchronmaschine, mit einem Winkelsensor, mit einer Modell-Referenz-Regelung, mit einer Umschalteinrichtung zwischen dem Winkelsensor und der Modell-Referenz-Regelung und mit einem ersten Resolver zum Umwandeln von ersten Wechselgrößen der permanent erregten Synchronmaschine in erste Gleichgrößen der permanent erregten Synchronmaschine in Abhängigkeit eines Winkelsignals, wobei in Abhängigkeit des Winkelsensors und/oder der Modell-Referenz-Regelung der Winkel bestimmt ist.
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Es ist vorgesehen, dass die Winkelerfassungsvorrichtung einen zweiten Resolver zum Rücktransformieren der ersten Gleichgrößen in Abhängigkeit des Winkelsignals in zweite Wechselgrößen und einen dritten Resolver zum Umwandeln der zweiten Wechselgrößen in zweite Gleichgrößen in Abhängigkeit von dritten Gleichgrößen der Modell-Referenz-Regelung aufweist, wobei die zweiten Gleichgrößen zum Erzeugen der dritten Gleichgrößen für die Modell-Referenz-Regelung erzeugt sind.
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Dadurch ist es ermöglicht, dass verbessert der Winkel der permanent erregten Synchronmaschine bestimmt werden kann. Insbesondere wird das grundlegende Problem dieses Systemaufbaus dadurch gelöst, dass diese Systemgrößen, die die Modell-Referenz-Regelung, welche auch als MRAS-Verfahren bezeichnet werden kann, zur Schätzung des Winkels verwendet werden, bereits mit dem Winkel des Winkelsensors transformiert werden. Somit wird das System gemäß dem Stand der Technik als offene Regelschleife betrieben und es können durch die fehlende Rückkopplung der Informationen Abweichungen zwischen dem gemessenen und dem geschätzten Winkelsignal auftreten. Dieser Unterschied führt beim Umschalten zwischen gemessenen und geschätzten Winkelsignal zu einer Fehlorientierung der Maschinenströme, die zu Drehmomentschlägen führen und unter Umständen die Regelung instabil lassen werden könnten. Hierzu ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass das System einerseits parallel betrieben werden kann, mit anderen Worten, dass das Winkelsignal nicht in der Kernregelung genutzt wird und trotzdem eine Rückkopplung der geschätzten Winkelinformation in das Schätzverfahren ermöglicht wird. Mit anderen Worten wird eine Doppeltransformation vorgeschlagen. Durch die Rückkopplung der geschätzten Winkelinformation wird das Referenz-Regelungsmodell, mit anderen Worten das MRAS Verfahren, befähigt, Modellungenauigkeiten zu erkennen und somit eine Angleichung des gemessenen und geschätzten Winkels zu erzielen. Schließlich ist hierdurch ein sanftes Umschalten zwischen gemessenem und geschätztem Signal möglich, ohne dass der gesamte Regelkreis instabil wird.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltungsform ist das Winkelsignal für die Modell-Referenz-Regelung rückgekoppelt. Mit anderen Worten handelt es sich um eine geschlossene Regelschleife innerhalb der Winkelerfassungsvorrichtung. Dadurch können die Modellungenauigkeiten verringert werden.
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Ferner hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn zum Umwandeln der Gleichgrößen in die Wechselgrößen und/oder der Wechselgrößen in die Gleichgrößen der erste Resolver und/oder der zweite Resolver und/oder der dritte Resolver eine Park-Transformation nutzt.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform weist die Modell-Referenz-Regelung zum Durchführen einer Winkelschätzung ein Referenzmodell und ein Adaptionsmodell zum Miteinandervergleichen auf.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen eines Winkels einer permanent erregten Synchronmaschine einer Winkelerfassungsvorrichtung nach dem vorhergehenden Aspekt, wobei ein Winkelsignal eines Winkelsensors der Winkelerfassungsvorrichtung für einen ersten Resolver der Winkelerfassungsvorrichtung eine Modell-Referenz-Regelung der Winkelerfassungsvorrichtung zurückgekoppelt wird.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in der einzigen Figur alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Dabei zeigt die einzige Fig. ein schematisches Blockschaltbild einer Ausführungsform einer Winkelerfassungsvorrichtung.
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In der Fig. sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Die Fig. zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer Ausführungsform einer Winkelerfassungsvorrichtung 10. Die Winkelerfassungsvorrichtung 10 ist zum Bestimmen eines Winkels γ einer permanent erregten Synchronmaschine 14 ausgebildet. Die Winkelerfassungsvorrichtung 10 weist einen Winkelsensor 16, eine Modell-Referenz-Regelung 18 und eine Umschalteinrichtung 20 auf. Mittels der Umschalteinrichtung 20 kann zwischen dem Winkelsensor 16 und der Modell-Referenz-Regelung 18 umgeschaltet werden. Ferner weist die Winkelerfassungsvorrichtung 10 einen ersten Resolver 22 auf, welcher zum Umwandeln von ersten Wechselgrößen Iabc , Uabc der permanent erregten Synchronmaschine 14 in erste Gleichgrößen Idq , Udq der permanent erregten Synchronmaschine 14 in Abhängigkeit eines Winkelsignals 12 ausgebildet ist. In Abhängigkeit des Winkelsensors 16 und/oder der Modell-Referenz-Regelung 18 wird der Winkel γ bestimmt.
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Es ist vorgesehen, dass die Winkelerfassungsvorrichtung 10 einen zweiten Resolver 24 zum Rücktransformieren der ersten Gleichgrößen Idq , Udq des Winkelsignals 12 in zweite Wechselgrößen Iabc2 , Uabc2 aufweist. Ferner weist die Winkelerfassungsvorrichtung 10 einen dritten Resolver 26 zum Umwandeln der zweiten Wechselgrößen Iabc2 , Uabc2 in zweite Gleichgrößen Idq2 , Udq2 in Abhängigkeit von dritten Gleichgrößen Idq3 , Udq3 der Modell-Referenz-Regelung 18 auf, wobei die zweiten Gleichgrößen Idq2 , Udq2 zum Erzeugen der dritten Gleichgrößen Idq3 , Udq3 für die Modell-Referenz-Regelung 18 erzeugt sind.
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Bei den Wechselgrößen Iabc , Uabc , Iabc2 , Uabc2 handelt es sich insbesondere um Wechselgrößen den Strom Iabc , Ubc2 betreffend die Spannung Uabc , Uabc2 betreffend. Bei den Gleichgrößen handelt es sich insbesondere um Gleichgrößen den Strom Idq , Idq2 , Idq3 die Spannung Udq , Udq2 , Udq3 betreffend.
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Insbesondere ist vorgesehen, dass das Winkelsignal 12 für die Modell-Referenz-Regelung 18 rückgekoppelt ist.
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Des Weiteren ist vorgesehen, dass zum Umwandeln der Gleichgrößen Idq , Udq , Idq2 , Udq2 , Idq3 , Udq3 in die Wechselgrößen Iabc , Uabc , Iabc2 , Uabc2 und/oder der Wechselgrößen Iabc , Uabc , Iabc2 , Uabc2 in die Gleichgrößen Idq , Udq , Idq2 , Udq2 , Idq3 , Udq3 der erste Resolver 22 und/oder der zweite Resolver 24 und/oder der dritte Resolver 26 eine Park-Transformation nutzt.
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Ferner kann vorgesehen, dass die Modell-Referenz-Regelung zum Durchführen einer Winkelschätzung 28 ein Referenzmodell 30 und ein Adaptionsmodell 32 zum Miteinandervergleichen aufweist.
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Bei dem Verfahren zum Bestimmen des Winkels γ der permanent erregten Synchronmaschine 14 mittels der Winkelerfassungsvorrichtung 10 wird ein Winkelsignal 12 für den ersten Resolver 22 in die Modell-Referenz-Regelung 18 zurückgekoppelt.
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Das Grundprinzip der Modell-Referenz-Regelung 18, welche auch als MRAS-Verfahren bezeichnet wird, basiert auf dem Vergleich zweier Systemmodelle, wobei ein Systemmodell unabhängig des Winkelsignals 12 ist und das andere System die zu schätzende Rotorposition in den Systemgleichungen beinhaltet. Das erstgenannte System entspricht dem Referenzmodell 30 und das zweite System entspricht dem Adaptionsmodell 32. Die Anpassung dieses Modells, insbesondere des Adaptionsmodells 32, wird über die Differenz beider Modellausgänge durchgeführt und liefert letztendlich das zu ermittelnde Winkelsignal 12.
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Ein weiteres Einsatzgebiet dieses Verfahrens ist die Verwendung des geschätzten Winkelsignals 12 durch die Winkelschätzung 28 als Rückfallösung bei Ausfall des Winkelsensors 16. Somit ist bei normalem Betrieb des Systems ein gemessenes Winkelsignal 12 vorhanden und kann für die Regelung der permanent erregten Synchronmaschine 14 eingesetzt werden. Dabei wird die Winkelschätzung 28 parallel durchgeführt und nur im Fehlerfall zur Transformation der Systemgrößen eingesetzt. Darüber hinaus kann je nach Betriebspunkt das Winkelsignal 12 des MRAS-Verfahrens eine bessere Signalgüte aufweisen, als das des Winkelsensors 16, sodass ein Umschalten zwischen den Signalquellen auch im Normalbetrieb notwendig sein kann. Hierfür ist es notwendig, dass der Algorithmus bereits mitläuft und sich beim Umschalten im eingeschwungenen Zustand befindet.
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Das grundlegende Problem beim Systemaufbau des Stands der Technik ist, dass die Systemgrößen, die das MRAS-Verfahren, also der Modell-Referenz-Regelung 18, zur Schätzung des Winkels γ verwendet, bereits mit dem Winkel γ des Winkelsensors 16 transformiert werden. Somit wird das System als offene Regelschleife, welche auch als open-loop bezeichnet wird, betrieben und es können durch die fehlende Rückkopplung der Informationen Abweichungen zwischen dem gemessenen und dem geschätzten Winkelsignal auftreten. Dieser Unterschied führt beim Umschalten zwischen gemessenem und geschätztem Winkelsignal 12 zu einer Fehlorientierung der Maschinenströme, die zu Drehmomentschlägen führen und unter Umständen die Regelung instabil werden lässt.
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Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, um die Winkelerfassungsvorrichtung 10 parallel mit dem Winkelsensor 16 und der Modell-Referenz-Regelung 18 zu betreiben und trotzdem eine Rückkopplung der geschätzten Winkelinformation im Schätzverfahren zu ermöglichen, dass eine Doppeltransformation durchgeführt wird. Mit anderen Worten wird das Winkelsignal 12 nicht in der Kernregelung benutzt. Durch die Rückkopplung der geschätzten Winkelinformation wird das MRAS-Verfahren befähigt, Modellungenauigkeiten zu erkennen und somit eine Angleichung des gemessenen und geschätzten Winkels 12 zu erzielen. Schließlich ist hierdurch ein sanftes Umschalten zwischen gemessenem und geschätztem Winkelsignal 12 möglich, ohne dass der gesamte Regelkreis instabil wird.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Winkelerfassungsvorrichtung
- 12
- Winkelsignal
- 14
- permanent erregte Synchronmaschine
- 16
- Winkelsensor
- 18
- Modell-Referenz-Regelung
- 20
- Umschalteinrichtung
- 22
- erster Resolver
- 24
- zweiter Resolver
- 26
- dritter Resolver
- 28
- Winkelschätzung
- 30
- Referenzmodell
- 32
- Adaptionsmodell
- Iabc, Uabc
- erste Wechselgrößen
- Iabc2, Uabc2
- zweite Wechselgrößen
- Idq, Udq
- erste Gleichgrößen
- Idq2, Udq2
- zweite Gleichgrößen
- Idq3, Udq3
- dritte Gleichgrößen
- γ
- Winkel
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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