DE10203943B4

DE10203943B4 - Vorrichtung zum Regeln der Drehzahl eines Motors

Info

Publication number: DE10203943B4
Application number: DE10203943A
Authority: DE
Inventors: June Hee Won; Dal Ho Cheong; Jae Yoon Oh; Kyung Hoon Lee
Original assignee: LG Electronics Inc
Current assignee: LG Electronics Inc
Priority date: 2001-06-20
Filing date: 2002-02-01
Publication date: 2010-04-01
Anticipated expiration: 2022-02-02
Also published as: DE10203943A1; KR100421373B1; CN1392664A; US20030025475A1; GB2376759B; JP2003018875A; US6646409B2; CN1214512C; GB0131043D0; JP3571698B2; GB2376759A; KR20020096489A

Abstract

Vorrichtung zum Regeln der Drehzahl eines Motors, umfassend:
einen Synchron/Stationär-Koordinaten-Umsetzer zum Vergleichen einer Solldrehzahl des Motors mit einer berechneten Drehzahl des Motors und zum Ausgeben einer Sollmagnetflussstromkomponente und einer Solldrehmomentstromkomponente zum Kompensieren eines Fehlerwerts gemäß des Ergebnisses des Vergleichs als eine Sollspannung auf einer α-Achse und eine Sollspannung auf einer β-Achse in einem stationären Koordinatensystem;
einen Zweiphasen-Stromgenerator zum Empfangen des dreiphasigen Stroms, der erfasst wird, wenn sich der Motor dreht, und zum Ausgeben des Stroms der α-Achse und des Stroms der β-Achse; und
einen Drehzahl/Stellungsberechnungsgeber zum Berechnen der Stellung und der Drehzahl eines Rotors in dem Motor auf der Grundlage der Sollspannung auf der α-Achse, der Sollspannung auf der β-Achse, des Stroms der α-Achse, des Stroms der β-Achse und der Solldrehzahl, wobei die induzierte Spannung einer Grundschwingungskomponente aus dem Strom der α-Achse und dem Strom der β-Achse herausgelöst wird, und zum Regeln der Drehzahl und eines Drehmoments...

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Regeln der Drehzahl eines Motors, und insbesondere eine Vorrichtung zum Regeln der Drehzahl eines Motors, die in der Lage ist, die Spannung und den Strom zu erfassen, die an den Motor angelegt sind, und die Drehzahl und das Drehmoment zu regeln.
2. Beschreibung des Stands der Technik
Im Allgemeinen ist Information über die Drehzahl des Motors oder Information über den magnetischen Fluss wesentlich für das Regeln des augenblicklichen Drehmoments, im Besonderen für einen synchronen Reluktanzmotor (SYNRM). Das heißt, es sind ein Sensor für Information über die Drehgeschwindigkeit und ein Magnetflussfühler wie ein Hallsensor, ein Resolver und ein Impuls-Codierer notwendig. Jedoch ist es schwierig die Fühler einzubauen, außerdem reagieren die Fühler empfindlich auf die Einbauverhältnisse. So sind die Fühler empfindlich für Lärm. Die Fühler sind auch teuer. Gemäß einem Verfahren zum Regeln eines Vektors ohne einen Drehzahlfühler werden Drehzahl und Drehmoment ohne das Korrigieren von Drehzahlfehlern mit Bezug auf Veränderung im Rotorwiderstand des Motors geregelt.
1 zeigt die jeweiligen Achsen eines gewöhnlichen SYNRM.
Wie in 1 gezeigt, beträgt die Phasenverschiebung in der statorseitigen dreisträngigen Wicklung (U, V und W Stränge) zwischen dem U-Strang und dem V-Strang 120°. Die Phasenverschiebung zwischen dem V-Strang und dem W-Strang beträgt 120°. Die Phasenverschiebung zwischen dem W-Strang und dem U-Strang beträgt 120°. Die α-Achse und die β-Achse liegen in einem ortsfesten Koordinatensystem. Die d-Achse und die q-Achse sind synchrone Achsen. Die Magnetflussachse Θ_e eines Rotors ist ebenfalls ein Winkel, der die Phasenverschiebung zwischen der U-Achse und der d-Achse zeigt. Die Technologie des Stands der Technik wird nun mit Bezug auf 2 beschrieben.
2 ist ein Blockschaltbild, das den Aufbau der Vorrichtung zum Regeln der Drehgeschwindigkeit des SYNRM gemäß der Technologie des Stands der Technik zeigt.
Wie in 2 gezeigt, umfasst die Vorrichtung zum Regeln der Rotationsgeschwindigkeit des SYNRM gemäß der herkömmlichen Technologie einen ersten proportionalintegral wirkenden Regler (PI-Regler) 12 zum Aufnehmen eines Fehlerwerts, der durch Vergleichen der Solldrehzahl ω^* _m mit der berechneten Drehzahl ω_m erzielt wird, und zum Ausgeben der Solldrehmomentstromkomponente i^* _q zum Kompensieren des Fehlerwerts, einen zweiten PI-Regler 15 zum Aufnehmen eines Fehlerwerts, der durch Vergleichen der Sollmagnetflussstromkomponente i*_d mit der wirklichen Magnetflussstromkomponente i_d erzielt wird, und zum Ausgeben der Sollmagnetflussstromkomponente zum Kompensieren des Fehlerwerts als eine Sollmagnetflussspannungskomponente v^* _d, einen dritten PI-Regler 16 zum Aufnehmen eines Fehlerwerts, der durch Vergleichen der Solldrehmomentstromkomponente i*_q mit der wirklichen Drehmomentstromkomponente i_q erzielt wird, und zum Ausgeben der Solldrehmomentstromkomponente zum Kompensieren des Fehlerwerts als eine Solldrehmomentspannungskomponente v^* _q, einen Rotorfest(Synchron)/Statorfest(Stationär)-Koordinaten-Umsetzer 17 zum Umsetzen der Sollmagnetflussspannungskomponente v^* _d und der Solldrehmomentspannungskomponente v^* _q von einem synchronen Koordinatensystem in ein stationäres Koordinatensystem gemäß den Sinus- und Cosinus-Werten sinΘ und cosΘ des wirklichen Magnetflusswinkels Θ und zum Ausgeben der Sollspannungen v*_α und v^* _β im stationären Koordinatensystem, einen Dreiphasen-Spannungsgenerator 18 zum Umwandeln der Sollspannungen v*_α und v^* _β im stationären Koordinatensystem in drei Phasenspannungen v_as, v_bs und v_cs und zum Ausgeben der drei Phasenspannungen v_as, v_bs und v_cs, einen Wechselrichter 19 zum Anlegen der drei Phasenspannungen v_as, v_bs und v_cs, die durch den Dreiphasen-Spannungsgenerator 18 erzeugt werden, an den SYNRM, einen Rotorlagegeber 22 zum Erfassen der Position des Rotors des SYNRM, einen Drehzahlgeber 24 zum Ausgeben der aus der Position des erfassten Rotors berechneten Drehzahl ω_m, einen Signalgenerator 23 zum Erzeugen der Sinus- und Cosinus-Werte sinΘ und cosΘ des wirklichen Magnetflusswinkels Θ der Position des erfassten Rotors und zum Ausgeben der Sinus- und Cosinus-Werte sinΘ und cosΘ, einen Zweiphasen-Stromgenerator 20 zum Umwandeln des dreiphasigen Stroms, der erfasst wird, wenn sich der SYNRM dreht, in einen zweiphasigen Strom i_α und i_β und zum Ausgeben des zweiphasigen Stroms i_α und i_β und einen Stationär/Synchron-Koordinaten-Umsetzer 21 zum Umsetzen des zweiphasigen Stroms i_α und i_β in das stationäre Koordinatensystem und zum Ausgeben der wirklichen Drehmomentstromkomponente i_q und der wirklichen Magnetflussstromkomponente i_d. Der Betrieb der Vorrichtung zum Regeln der Drehzahl des SYNRM gemäß der Technologie des Stands der Technik wird nun beschrieben.
Der erste Subtrahierer 11 ergibt einen Fehlerwert durch Vergleichen der Solldrehzahl ω^* _e mit der berechneten Drehzahl ω_e, die durch den Rotorlagegeber 22 während der Drehung des SYNRM erfasst wird, und gibt den Fehlerwert an den ersten PI-Regler 12 aus.
Ein zweiter Subtrahierer 14 vergleicht die Sollmagnetflussstromkomponente i^* _d mit der wirklichen Magnetflussstromkomponente i_d, die vom Stationär/Synchron-Koordinaten-Umsetzer 21 ausgegeben wird, und gibt den so ermittelten Fehlerwert an den zweiten PI-Regler 15 aus.
Der zweite PI-Regler 15 gibt die Sollmagnetflussspannungskomponente v^* _d der Sollmagnetflussstromkomponente i^* _d zum Kompensieren des Fehlerwerts, der durch den zweiten Subtrahierer 14 ermittelt wird, an den Synchron/Stationär-Koordinaten-Umsetzer 17 weiter. Zu diesem Zeitpunkt vergleicht ein dritter Subtrahierer 13 die Solldrehmomentstromkomponente i^* _q, die vom ersten PI-Regler 12 ausgegeben wird, mit der wirklichen Drehmomentstromkomponente i_q, die vom Stationär/Synchron-Koordinaten-Umsetzer 21 ausgegeben wird.
Der dritte PI-Regler 16 gibt die Solldrehmomentspannungskomponente v^* _q der Solldrehmomentstromkomponente i^* _q zum Kompensieren des Fehlerwerts, der durch den dritten Subtrahierer 13 ermittelt wird, an den Synchron/Stationär-Koordinaten-Umsetzer 17 aus. Zu diesem Zeitpunkt wird die Sollmagnetflussspannungskomponente v^* _d, die vom zweiten PI-Regler 15 ausgegeben wird, an den Synchron/Stationär-Koordinaten-Umsetzer 17 ausgegeben.
Der Synchron/Stationär-Koordinaten-Umsetzer 17 empfängt die Sollmagnetflussspannungskomponente v^* _d, die Solldrehmomentspannungskomponente v^* _q und die Sinus- und Cosinuswerte sinΘ und cosΘ des wirklichen Magnetflusswinkels Θ, die vom Signalgenerator 23 ausgegeben werden, erzeugt die Sollspannungen v^* _α und v^* _β im stationären Koordinatensystem und gibt die Sollspannungen v^* _α und v^* _β im stationären Koordinatensystem an den Dreiphasen-Spannungsgenerator 18 ab.
Der Dreiphasen-Spannungsgenerator 18 wandelt die Sollspannungen v^* _α und v^* _β im stationären Koordinatensystem in die drei Phasenspannungen v_as, v_bs und v_cs im stationären Spannungssystem um und gibt die drei Phasenspannungen v_as, v_bs und v_cs im stationären Spannungssystem an den Wechselrichter 19 weiter.
Der Wechselrichter 19 legt die drei Phasenspannungen v_as, v_bs und v_cs, die vom Dreiphasen-Spannungsgenerator 18 ausgegeben werden, an den SYNRM an. Zu diesem Zeitpunkt gibt der Rotorlagegeber 22 zum Erfassen der Position des Rotors des SYNRM die berechnete Drehzahl ω_m an den ersten Subtrahierer 11 durch den Drehzahlgeber 24 weiter.
Der Zweiphasen-Stromgenerator 20 empfängt den dreiphasigen Strom, der während der Rotation des SYNRM erfasst wird, erzeugt die Ströme i_α und i_β im stationären Koordinatensystem und gibt die Ströme i_α und i_β im stationären Koordinatensystem an den Stationär/Synchron-Koordinaten-Umsetzer 21 weiter.
3 ist ein Vektordiagramm, das die Spannung der d-Achse des SYNRM und die Spannung der q-Achse des SYNRM in einem stabilen Betrieb zeigt.
Wie in 3 gezeigt, werden die Spannungsgleichungen des SYNRM durch die d-Achse und die q-Achse, die synchrone Achsen sind, ausgedrückt. [Gleichung 1]
wobei v_d und v_q sich entsprechend auf die Spannungskomponente der d-Achse und die Spannungskomponente der q-Achse beziehen. i_d und i_q beziehen sich entsprechend auf die Stromkomponente der d-Achse und die Stromkomponente der q-Achse. R_s bezeichnet den statorseitigen Widerstand des SYNRM. L_d und L_q bezeichnen entsprechend die Induktivität der d-Achse und die Induktivität der q-Achse.
Wenn sich der SYNRM im stabilen Betrieb befindet, wird der Stromdifferenzausdruck der Gleichung 1 „0„ und wird durch die Gleichung 2 ausgedrückt. Gleichung 3 kann eine Drehmomentgleichung darstellen.
[Gleichung 2]

vd = Rsid – weLqiq vq = Rsiq – weLdid wobei w_eL_d = X_d und w_eL_q = X_q. X_d und X_q bezeichnen entsprechend die Reaktanz der d-Achse und die Reaktanz der q-Achse. Daher kann die Gleichung 3, die das Vektordiagramm darstellt, die Gleichung 2 ausdrücken. Die Drehmomentgleichung ist auch die Gleichung 3.

[Gleichung 3]
wobei L_d und L_q entsprechend die Induktivität der d-Achse und die Induktivität der q-Achse bezeichnen. δ bezeichnet den Phasenunterschied zwischen einer Phasenspannung V_s und dem Strom auf der q-Achse. P bezeichnet die Anzahl der Pole des Rotors in der SYNRM.

Hier ist das Drehmoment umgekehrt proportional zu v_s/w_e und sin2δ. Das Drehmoment ist auch maximal, wenn δ bei einem Winkel von 45 Grad steht, wenn v_s/w_e fixiert ist. Jedoch umfasst der Strom in einem Übergangszustand eine Oberwellenkomponente und eine Gleichstrom(DC)-Versatzspannung. Dementsprechend wird der Differenzterm des Stroms nicht ,0' werden. Daher werden die Drehzahl und die Stellung des Rotors des SYNRM in einem Zustand erfasst, wo die höhere Oberwellenkomponente und die DC-Versatzspannung mitumfasst sind.
Jedoch umfasst in der Vorrichtung zum Regeln der Drehzahl des SYNRM nach der Technologie des Stands der Technik der Strom, der durch eine Drehmomentwelligkeits- und Schalttodzeit erfasst wird, eine Grundwelle und höhere Oberwellen. Dementsprechend wird die Oberwellenkomponente in einer induzierten Spannung mitenthalten. Als ein Ergebnis tritt in der berechneten und ausgegebenen Drehzahl Welligkeit auf. Es ist daher nicht möglich die Drehzahl exakt zu regeln. Der Codierer und der Hallsenor werden im Rotorlagegeber eingesetzt. Es ist schwierig den Codierer und den Hallsensor einzubauen.
Aus dem Artikel „Sensorless PM Brushless DC Motor Drives”, Nobuyuki Matsui, IEEE Transactions On Industrial Electronics, Vol. 43, No. 3, April 1996 ist eine sensorlose Geschwindigkeits- und Positionssteuerung für pulsmodulierte Gleichstrommotoren bekannt. Der Stromregler ist auf Basis des γ-δ Modells entworfen und die geschätzte Rotorposition wird zur Transformation der Dreiphasenspannungen in entsprechende Zweiachsenwerte verwendet.
Die Offenlegungsschrift DE 199 46 428 A1 offenbart eine Einrichtung und ein Verfahren zum Erzeugen von Bremsdrehmomenten in einem Wechselstromantrieb. Der Motormagnetisierungsstrom, der Motodrehmomentstrom und die Geschwindigkeit werden durch separate PI-Regler geregelt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zum Regeln der Drehzahl eines Motors bereitzustellen, die in der Lage ist, die Drehzahl des Motors bei Entfernen eines Hallsensors und eines Codierers durch Berechnen der Drehzahl und der Stellung eines synchronen Reluktanzmotors (SYNRM) exakt zu regeln, um folglich die Drehzahl und die Stellung des SYNRM an einem Ort, wo die Stellung des Rotors nicht leicht erfasst werden kann, wie bei den Verdichtern eines Kühlschranks und einer Klimaanlage, zu erfassen und die reine induzierte Spannung einer Grundschwingungskomponente herauszulösen, um so die Drehzahl des SYNRM zu berechnen und zu regeln.
Um diese und andere Vorteile zu erzielen und in Übereinstimmung mit dem Zweck der vorliegenden Erfindung, wie sie hierin ausgeführt und genau beschrieben ist, wird eine Vorrichtung zum Regeln der Drehzahl eines Motors bereitgestellt, die einen Synchron/Stationär-Kooordinaten-Umsetzer zum Vergleichen der Solldrehzahl eines Motors mit einer berechneten Drehzahl des Motors und zum Ausgeben der Sollmagnetflussstromkomponente und der Solldrehmomentstromkomponente zum Kompensieren eines Fehlerwerts in Übereinstimmung mit dem Vergleichsergebnis als eine Sollspannung auf einer α-Achse und der Sollspannung einer β-Achse in einem stationären Koordinatensystem, einen Zweiphasen-Stromgenerator zum Aufnehmen eines dreiphasigen Stroms, der erfasst wird, wenn sich der Motor dreht, und zum Ausgeben des Stroms der α-Achse und des Stroms der β-Achse, und einen Drehzahl/Stellungsberechnungsgeber zum Berechnen der Stellung und der Drehzahl eines Rotors im Motor auf der Grundlage der Sollspannung der α-Achse, der Sollspannung der β-Achse, des Stroms der α-Achse, des Stroms der β-Achse und der Solldrehzahl, wobei eine induzierte Spannung einer Grundschwingungskomponente aus dem Strom der α-Achse und dem Strom der β-Achse herausgelöst wird, und zum Regeln der Drehzahl und des Drehmoments des Motors umfasst.
Die vorangestellten und andere Aufgaben, Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden klarer aus der folgenden genauen Beschreibung der vorliegenden Erfindung hervorgehen, wenn sie in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen aufgenommen wird.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die begleitenden Zeichnungen, die aufgenommen sind, um ein tieferes Verständnis der Erfindung zu ermöglichen, und hierin eingefügt sind und einen Teil dieser Beschreibung darstellen, veranschaulichen Ausführungsformen der Erfindung und dienen gemeinsam mit der Beschreibung dazu, um die Grundsätze der Erfindung zu erklären.
Zu den Zeichnungen:
1 zeigt die entsprechenden Achsen eines gewöhnlichen synchronen Reluktanzmotors (SYNRM);
2 ist ein Blockdiagramm, das den Aufbau einer Vorrichtung zum Regeln der Drehzahl eines SYNRM nach dem Stand der Technik zeigt;
3 ist ein Vektordiagramm, das die Spannung der d-Achse des SYNRM und die Spannung der q-Achse des SYNRM in einem stabilen Zustand zeigt; und
4 ist ein Blockdiagramm, das den Aufbau einer Vorrichtung zum Regeln der Drehzahl eines SYNRM nach der vorliegenden Erfindung zeigt.
GENAUE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Bevorzugte Ausführungsformen einer Vorrichtung zum Regeln der Drehzahl eines Motors, die in der Lage ist, die Drehzahl des Motors bei Entfernen eines Hallsensors und eines Codierers durch Berechnen der Drehzahl und der Stellung eines Motors, insbesondere eines synchronen Reluktanzmotors (SYNRM), exakt zu regeln, um folglich die Drehzahl und die Stellung des SYNRM an einem Ort, wo die Stellung des Rotors nicht leicht erfasst werden kann, wie bei den Verdichtern eines Kühlschranks und einer Klimaanlage, zu erfassen und die reine induzierte Spannung einer Grundschwingungskomponente herauszulösen, um so die Drehzahl des SYNRM zu berechnen und zu regeln, wird nun genau mit Bezug auf 4 beschrieben.
4 ist ein Blockdiagramm, das den Aufbau einer Vorrichtung zum Regeln der Drehzahl eines SYNRM nach der vorliegenden Erfindung zeigt.
Wie in 4 gezeigt, umfasst die Vorrichtung zum Regeln der Drehzahl des SYNRM nach der vorliegenden Erfindung einen ersten Subtrahierer 31 zum Vergleichen der Solldrehzahl ω^* _m des SYNRM mit der berechneten Drehzahl ω_m des SYNRM und zum Ausgeben eines Fehlerwerts gemäß dem Ergebnis des Vergleichs, einen ersten proportional-integral wirkenden Regler (PI-Regler) 32 zum Empfangen des Fehlerwerts, der durch Vergleichen der berechneten Drehzahl ω_m mit der Solldrehzahl ω^* _m erzielt wird, und zum Ausgeben der Solldrehmomentstromkomponente zum Kompensieren des Fehlerwerts, einen dritten Subtrahierer 33 zum Vergleichen der Solldrehmomentstromkomponente i^* _q mit der wirklichen Drehmomentstromkomponente i_q und zum Ausgeben eines Fehlerwerts gemäß dem Ergebnis des Vergleichs, einen dritten PI-Regler 36 zum Ausgeben der Solldrehmomentspannungskomponente v^* _q der Solldrehmomentstromkomponente i^* _q zum Kompensieren des Fehlerwerts, der vom dritten Subtrahierer 33 ausgegeben wird, einen zweiten Subtrahierer 34 zum Vergleichen der Sollmagnetflussstromkomponente i^* _d mit der wirklichen Magnetflussstromkomponente i_d und zum Ausgeben eines Fehlerwerts gemäß dem Ergebnis des Vergleichs, einen zweiten PI-Regler 35 zum Ausgeben der Sollmagnetflussspannungskomponente v^* _d der Sollmagnetflussstromkomponente i^* _d zum Kompensieren des Fehlerwerts, der vom zweiten Subtrahierer 34 ausgegeben wird, einen Synchron/Stationär-Koordinaten-Umsetzer 37 zum Empfangen der Sollmagnetflussspannungskomponente v^* _d, die vom zweiten PI-Regler 35 ausgegeben wird, und der Solldrehmomentspannungskomponente v^* _q, die vom dritten PI-Regler 36 ausgegeben wird, und zum Ausgeben der α-Achsen-Sollspannung v^* _α in einem stationären Koordinatensystem und einer β-Achsen-Sollspannung v^* _β in dem stationären Koordinatensystem, einen Dreiphasen-Spannungsgenerator 38 zum Umwandeln der α-Achsen-Sollspannung v^* _α und der β-Achsen-Sollspannung v^* _β in dem stationären Koordinatensystem, die vom Synchron/Stationär-Koordinaten-Umsetzer 37 ausgegeben werden, in drei Phasenspannungen v_as, v_bs und v_cs, die durch den Dreiphasen-Spannungsgenerator 38 erzeugt werden, an den SYNRM, einen Zweiphasen-Stromgenerator 40 zum Umwandeln des dreiphasigen Stroms, der an den SYNRM angelegt wird, in einen zweiphasigen Strom und zum Ausgeben des zweiphasigen, Stroms, einen Drehzahl/Stellungsberechnungsgeber 42 zum Empfangen der α-Achsen-Sollspannung v^* _α, der β-Achsen-Sollspannung v^* _β, des zweiphasigen Stroms und der Solldrehzahl ω^* _m, zum Berechnen der Position und der Drehzahl eines Rotors und zum Ausgeben der berechneten Drehzahl ω_m des SYNRM und der Sinus- und Cosinus-Werte sinΘ und cosΘ des Magnetflusswinkels Θ des Rotors des SYNRM und einen Stationär/Synchron-Koordinaten-Umsetzer 41 zum Empfangen des zweiphasigen Stroms und der Sinus- und Cosinus-Werte sinΘ und cosΘ, zum Umwandeln des zweiphasigen Stroms und der Sinus- und Cosinus-Werte sinΘ und cosΘ in ein synchrones Koordinatensystem und zum Ausgeben der wirklichen Drehmomentstromkomponente i_q und der wirklichen Magnetflussstromkomponente i_d. Die Arbeitsweise der Vorrichtung zum Regeln der Drehzahl des SYNRM nach der vorliegenden Erfindung wird nun genau beschrieben.
Der erste Subtrahierer 31 vergleicht die berechnete Drehzahl ω_m des Rotors des SYNRM, die durch den Drehzahl/Stellungsberechnungsgeber 42 ausgegeben wird, mit der Solldrehzahl ω^* _m und gibt den Fehlerwert laut dem Ergebnis des Vergleichs an den ersten PI-Regler 32 aus. Zu diesem Zeitpunkt wird die berechnete Drehzahl ω_m des Rotors an der Negationsklemme (–) des ersten Subtrahierers 31 eingegeben. Die Solldrehzahl ω^* _m wird an der Nicht-Negationsklemme (+) des ersten Subtrahierers 31 eingegeben.
Der erste PI-Regler 32 empfängt den Fehlerwert, der vom ersten Subtrahierer 31 ausgegeben wird, kompensiert den Fehlerwert und gibt die Solldrehmomentstromkomponente i^* _q an den dritten Subtrahierer 33 aus.
Der dritte Subtrahierer 33 vergleicht die Solldrehmomentstromkomponente i^* _q mit der wirklichen Drehmomentstromkomponente i_q, die vom Stationär/Synchron-Koordinaten-Umsetzer 41 ausgegeben wird, und gibt den Fehlerwert laut dem Ergebnis des Vergleichs an den dritten PI-Regler 36 aus.
Der dritte PI-Regler 36 gibt die Solldrehmomentspannungskomponente v^* _q mit Bezug auf die Solldrehmomentstromkomponente i^* _q zum Kompensieren des Fehlerwerts, der vom dritten Subtrahierer 33 ausgegeben wird, an den Synchron/Stationär-Koordinaten-Umsetzer 37 aus.
Der zweite Subtrahierer 34 vergleicht die Sollmagnetflussstromkomponente i^* _d mit der wirklichen Magnetflussstromkomponente i_d, die vom Stationär/Synchron-Koordinaten-Umsetzer 41 ausgegeben wird, und gibt den Fehlerwert laut dem Ergebnis des Vergleichs an den zweiten PI-Regler 35 aus.
Der zweite PI-Regler 35 gibt die Sollmagnetflussspannungskomponente v^* _d der Sollmagnetflussstromkomponente i^* _d zum Kompensieren des Fehlerwerts, der vom zweiten Subtrahierer 34 ausgegeben wird, an den Synchron/Stationär-Koordinaten-Umsetzer 37 aus.
Der Synchron/Stationär-Koordinaten-Umsetzer 37 empfängt die Sollmagnetflussspannungskomponente v^* _d, die vom zweiten PI-Regler 35 ausgegeben wird, die Solldrehmomentspannungskomponente v^* _q, die vom dritten PI-Regler 36 ausgegeben wird, die Sinus- und Cosinus-Werte sinΘ und cosΘ, die vom Drehzahl/Stellungsberechnungsgeber 42 ausgegeben werden, und gibt die α-Achsen-Sollspannung v^* _α im stationären Koordinatensystem und die β-Achsen-Sollspannung v^* _β im stationären Koordinatensystem an den Dreiphasen-Spannungsgenerator 38 aus.
Der Dreiphasen-Spannungsgenerator 38 empfängt die α-Achsen-Sollspannung v^* _α im stationären Koordinatensystem und die β-Achsen-Sollspannung v^* _β im stationären Koordinatensystem, die vom Synchron/Stationär-Koordinaten-Umsetzer 37 ausgegeben werden, wandelt die α- Achsen-Sollspannung v^* _α im stationären Koordinatensystem und die β-Achsen-Sollspannung v^* _β im stationären Koordinatensystem in die drei Phasenspannungen v_as, v_bs und v_cs um und gibt die drei Phasenspannungen v_as, v_bs und v_cs an den Wechselrichter 39 aus.
Der Wechselrichter 39 empfängt die drei Phasenspannungen v_as, v_bs und v_cs, die durch den Dreiphasen-Spannungsgenerator 38 erzeugt worden sind, und legt die drei Phasenspannungen v_as, v_bs und v_cs an den SYNRM an. Zu diesem Zeitpunkt wandelt der Zweiphasen-Stromgenerator 40 den dreiphasigen Strom, der am SYNRM anliegt, in den zweiphasigen Strom um, erzeugt den α-Achsen-Strom i_α im stationären Koordinatensystem und den β-Achsen-Strom i_β im stationären Koordinatensystem und gibt den α-Achsen-Strom i_α im stationären Koordinatensystem und den β-Achsen-Strom i_β im stationären Koordinatensystem an den Stationär/Synchron-Koordinaten-Umsetzer 41 und Drehzahl/Stellungsberechnungsgeber 42 aus.
Der Drehzahl/Stellungsberechnungsgeber 42 empfängt die α-Achsen-Sollspannung v^* _α, die β-Achsen-Sollspannung v^* _β, den α-Achsen-Strom i_α, den β-Achsen-Strom i_β, und die Solldrehzahl ω^* _m und gibt die Sinus- und Cosinus-Werte sinΘ und cosΘ des Magnetflusswinkels Θ des Rotors des SYNRM und die berechnete Drehzahl ω_m des Rotors des SYNRM aus.
Eine Gleichung der Magnetflussverkettungen ψ_α und ψ_β und der induzierten Spannungen e_α und e_β in der α-Achse und der β-Achse, die im stationären Koordinatensystem liegen, und Stromzustandsgleichung im SYNRM werden nun genau mit Bezug auf die Gleichungen 4 und 5 beschrieben.
Die Gleichung 4 ist die Gleichung der Magnetflussverkettungen ψ_α und ψ_β und der induzierten Spannungen e_α und e_β in der α-Achse und der β-Achse, die im stationären Koordinatensystem liegen.
[Gleichung 4]

eα = ddt ψα = –weψsinθe und eβ = ddt ψβ = –weψsinθe wobei ψ, das heißt (L_d – L_q)i_d, die Magnetflussverkettung betrifft. ψ_α und ψ_β betreffen die Magnetflussverkettungen der α-Achse und der β-Achse. Θ_e betrifft den elektrischen Winkel des Magnetflusses.

Die Gleichung 5 ist die Stromzustandsgleichung im SYNRM. [Gleichung 5]
wobei v_α und v_β die Spannung der α-Achse und die Spannung der β-Achse bezeichnen. i_α und i_β bezeichnen den Strom der α-Achse und den Strom der β-Achse. L_q bezeichnet die Induktivität der q-Achse.
Die induzierten Spannungen e_α und e_β der Gleichung 4 werden aus der Grundschwingungskomponente gebildet, umfassen jedoch eine Oberwellenkomponente und eine Gleichstrom(DC)-Versatzspannung, wie in Gleichung 6 gezeigt. [Gleichung 6]
wobei e_αdc die DC-Versatzspannung der induzierten Spannung bezeichnet. Das heißt, der Strom (der zweiphasige Strom), der erfasst wird, wenn sich der SYNRM dreht, umfasst die Oberwelle und die DC-Versatzspannung. Dementsprechend sind die Oberwelle und die DC-Versatzspannung in den Magnetflussverkettungen ψ_α und ψ_β der α-Achse und der β-Achse miteingeschlossen. Daraus ergibt sich, dass die höhere Oberwelle und die DC-Versatzspannung in den induzierten Spannungen e_α und e_β der α-Achse und der β-Achse miteingeschlossen sind.
Daher verringert der Drehzahl/Stellungsberechnungsgeber 42 die Welligkeit auf Grund der Oberwelle und der DC-Versatzspannung der Magnetflussverkettungen ψ_α und ψ_β der α-Achse und der β-Achse und regelt die Stellung und die Drehzahl des SYNRM nur durch Verwendung der induzierten Spannung der Grundschwingungskomponente. Das heißt, nur die induzierte Spannung der Grundschwingungskomponente wird durch Hinzufügen der Stromkomponente zu einer Gleichung zum Errechnen der induzierten Spannung herausgerechnet, wie in Gleichung 7 gezeigt.
[Gleichung 7]

eα = a1cosw1t + b1sinw1t + eαc = eα1 + eαd = –weψsinθe + eαd wobei e_αd
ist und die Gleichstromkomponente der induzierten Spannung bezeichnet. ψ, e_α1, ω₁ und Θ_e betreffen die Magnetflussverkettung, die induzierte Spannung der Grundschwingungskomponente, die Winkelgeschwindigkeit beziehungsweise den elektrischen Winkel des Magnetflusses.

Die benutzerdefinierten Magnetflussverkettungen ψ'_α und ψ'_β zum Entfernen der Oberwelle und der DC-Versatzspannung und die Grundschwingungskomponente der induzierten Spannung können durch Einsatz der Gleichung 8 erhalten werden. [Gleichung 8]
wobei ψ'_α und ψ'_β die benutzerdefinierten Magnetflussverkettungen bezeichnen. I_d, L_q und ω_e bezeichnen den Strom des d-Achse, die Induktivität der q-Achse und die elektrische Winkelgeschwindigkeit. e_α1 und e_β1 bezeichnen die Grundschwingungskomponenten der induzierten Spannung. Daher werden die Gleichungen der Spannungen der α-Achse und der β-Achse aus den Gleichungen 5 und 8 bestimmt. [Gleichung 9]
Der Drehzahl/Stellungsberechnungsgeber 42 gibt die berechnete Drehzahl ω_m und die Sinus- und Cosinus-Werte sinΘ und cosΘ des Magnetflusswinkels Θ des Rotors des SYNRM aus, wie in Gleichung 10 gezeigt, um so die Drehzahl und Stellung des Rotors des SYNRM zu regeln.
[Gleichung 10]

wm = 2P we wobei v_α, v_β, i_α und i_β die Spannungen und die Ströme der α-Achse und der β-Achse bezeichnen. ψ'_α und ψ'_β bezeichnen die benutzerdefinierten Magnetflussverkettungen. e_α1 und e_β1 bezeichnen die Grundschwingungskomponenten der induzierten Spannung. e_αd und e_βd bezeichnen die Gleichstromkomponenten der induzierten Spannung. ω_e und ω_m bezeichnen die elektrische Winkelgeschwindigkeit beziehungsweise die mechanische Winkelgeschwindigkeit. R bezeichnet den statorseitigen Widerstand. L_q bezeichnet die Induktivität der q-Achse. P bezeichnet die Anzahl der Pole.

Wie oben erwähnt ist es nach der vorliegenden Erfindung möglich, Schwierigkeiten mit dem Einbau von Codierer und Hallsensor des Rotorlagegebers zu lösen, da der SYNRM durch Berechnen der Drehzahl und der Stellung des Rotors wie in Verdichtern von Kühlschränken und Klimaanlagen ohne den Einsatz von Hallsensor und Codierer zum Berechnen der Drehzahl und der Stellung des SYNRM geregelt wird.
Nach der vorliegenden Erfindung ist es auch möglich, die Drehzahl und das Drehmoment des Motors exakt zu regeln, indem die Drehzahl des Motors durch Herauslösen der induzierten Spannung der Grundschwingungskomponente berechnet und die Welligkeit, die durch die Oberwellenkomponente des Stroms erzeugt wird, durch Vorgeben der berechneten Drehzahl verringert wird.

Claims

Vorrichtung zum Regeln der Drehzahl eines Motors, umfassend: einen Synchron/Stationär-Koordinaten-Umsetzer zum Vergleichen einer Solldrehzahl des Motors mit einer berechneten Drehzahl des Motors und zum Ausgeben einer Sollmagnetflussstromkomponente und einer Solldrehmomentstromkomponente zum Kompensieren eines Fehlerwerts gemäß des Ergebnisses des Vergleichs als eine Sollspannung auf einer α-Achse und eine Sollspannung auf einer β-Achse in einem stationären Koordinatensystem; einen Zweiphasen-Stromgenerator zum Empfangen des dreiphasigen Stroms, der erfasst wird, wenn sich der Motor dreht, und zum Ausgeben des Stroms der α-Achse und des Stroms der β-Achse; und einen Drehzahl/Stellungsberechnungsgeber zum Berechnen der Stellung und der Drehzahl eines Rotors in dem Motor auf der Grundlage der Sollspannung auf der α-Achse, der Sollspannung auf der β-Achse, des Stroms der α-Achse, des Stroms der β-Achse und der Solldrehzahl, wobei die induzierte Spannung einer Grundschwingungskomponente aus dem Strom der α-Achse und dem Strom der β-Achse herausgelöst wird, und zum Regeln der Drehzahl und eines Drehmoments des Motors.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Zweiphasen-Stromgenerator den dreiphasigen Strom, der am Motor anliegt, in einen zweiphasigen Strom umwandelt und den Strom der α-Achse und den Strom der β-Achse im stationären Koordinatensystem ausgibt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Motor ein synchroner Reluktanzmotor (SYNRM) ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Drehzahl/Stellungsberechnungsgeber die Sinus- und Cosinus-Werte sinΘ und cosΘ des Magnetflusswinkels Θ des Rotors des Motors und die berechnete Drehzahl des Rotors des Motors ausgibt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Drehzahl/Stellungsberechnungsgeber nur eine induzierte Spannung einer Grundschwingungskomponente aus dem Strom der α-Achse und dem Strom der β-Achse herauslöst.
Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei der Drehzahl/Stellungsberechnungsgeber nur die induzierte Spannung der Grundschwingungskomponente herauslöst, wobei die Gleichung e_α = a₁cosω₁t + b₁sinω₁t + e_αd = e_α1 + e_αd = –ω_αψsinΘ_e + e_αd verwendet wird und wobei e_αd
ist, und ψ, e_α1, ω₁ und Θ_e die Gleichstrom(DC)-Komponente der induzierten Spannung, eine Magnetflussverkettung, die induzierte Spannung der Grundschwingungskomponente, die Winkelgeschwindigkeit beziehungsweise den elektrischen Winkel des Magnetflusses bezeichnen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Drehzahl/Stellungsberechnungsgeber eine Magnetflusskomponente entfernt, um eine Welligkeit der Drehzahl des Motors zu verringern.
Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei der Drehzahl/Stellungsberechnungsgeber die Magnetflusskomponente entfernt, um die Welligkeit der Drehzahl des Motors zu verringern, um so die induzierte Spannung der Grundschwingungskomponente herauszulösen, wobei die Formel
verwendet wird und wobei ψ¹ _α und ψ¹ _β, i_q, i_d, L_q, ω_e, e_α1 und e_β1 die benutzerdefinierten Magentflussverkettungen, die Ströme der d-Achse und der q-Achse, die Induktivität der q-Achse und die elektrische Winkelgeschwindigkeit beziehungsweise die Grundschwingungskomponenten bezeichnen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Drehzahl/Stellungsberechnungsgeber die Spannungen der α- Achse und der β-Achse im stationären Koordinatensystem unter Verwendung der Gleichung
berechnet und die Stellung und die Drehzahl des Rotors durch Ausgeben der Gleichung
und wm = 2P we berechnet und wobei v_α und v_β, i_α und i_β, ψ'_α und ψ'_β, e_α1 und e_β1, e_αd und e_βd, ω_e und ω_m, R_s, L_q und P die Spannungen der α-Achse und der β-Achse, die Ströme der α-Achse und der β-Achse, die benutzerdefinierten Magnetflussverkettungen, die Grundschwingungskomponenten der induzierten Spannung, die Gleichstromkomponenten der induzierten Spannung, die elektrische Winkelgeschwindigkeit und die mechanische Winkelgeschwindigkeit, den statorseitigen Widerstand, die Induktivität der q-Achse und die Anzahl der Pole bezeichnen.
Vorrichtung zum Regeln der Drehzahl eines Motors, umfassend: einen ersten proportional-integral wirkenden Regler (PI-Regler) zum Ausgeben der Solldrehmomentstromkomponente zum Kompensieren eines Fehlerwerts, der durch Vergleichen einer Solldrehzahl des Motors mit einer berechneten Drehzahl des Motors erzielt wird; einen dritten PI-Regler zum Ausgeben einer Solldrehmomentspannungskomponente der Solldrehmomentstromkomponente zum Kompensieren des Fehlerwerts, der durch Vergleichen der Solldrehmomentstromkomponente mit der wirklichen Drehmomentstromkomponente erzielt wird; einen zweiten PI-Regler zum Ausgeben der Sollmagnetflussspannungskomponente der Sollmagnetflussstromkomponente zum Kompensieren des Fehlerwerts, der durch Vergleichen der Sollmagnetflussstromkomponente mit der wirklichen Magnetflussstromkomponente erzielt wird; einen Synchron/Stationär-Koordinaten-Umsetzer zum Empfangen der Sollmagnetflussspannungskomponente, die vom zweiten PI-Regler ausgegeben wird, und der Solldrehmomentspannungskomponente, die vom dritten PI-Regler ausgegeben wird, und zum Ausgeben der Sollspannung der α-Achse in dem stationären Koordinatensystem und einer Sollspannung der β-Achse in dem stationären Koordinatensystem; einen Dreiphasen-Spannungsgenerator zum Umwandeln der Sollspannung der α-Achse in dem stationären Koordinatensystem und der Sollspannung der β-Achse in dem stationären Koordinatensystem, die vom Synchron/Stationär-Koordinaten-Umsetzer ausgegeben werden, in drei Phasenspannungen; einen Wechselrichter zum Anlegen der dreiphasigen Spannung an den Motor; einen Zweiphasen-Stromgenerator zum Umwandeln des dreiphasigen Stroms, der an den Motor angelegt wird, in einen zweiphasigen Strom; einen Drehzahl/Stellungsberechnungsgeber zum Ausgeben der berechneten Drehzahl des Motors und der Sinus- und Cosinus-Werte sinΘ und cosΘ des Magnetflusswinkels Θ des Rotors des Motors auf der Grundlage der Sollspannung der α-Achse, der Sollspannung der β-Achse, des zweiphasigen Stroms und der Solldrehzahl, wobei die induzierte Spannung einer Grundschwingungskomponente aus dem Strom der α-Achse und dem Strom der β-Achse herausgelöst wird; und einen Stationär/Synchron-Koordinaten-Umsetzer zum Empfangen des zweiphasigen Stroms und der Sinus- und Cosinus-Werte sinΘ und cosΘ, zum Umwandeln des zweiphasigen Stroms und der Sinus- und Cosinus-Werte sinΘ und cosΘ in ein synchrones Koordinatensystem und zum Ausgeben der wirklichen Drehmomentstromkomponente und der wirklichen Magnetflussstromkomponente.
Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei der Motor ein synchroner Reluktanzmotor (SYNRM) ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei der Drehzahl/Stellungsberechnungsgeber nur eine induzierte Spannung einer Grundschwingungskomponente herauslöst, wobei die Gleichung e_α = a₁cosω₁t + b₁sinω₁t + e_αd = e_α1 + e_αd = –ω_αψsinΘ_e + e_αd verwendet wird und wobei e_αd
ist, und ψ, e_α1, ω₁ und Θ_e eine DC-Komponente einer induzierten Spannung, eine Magnetflussverkettung, die induzierte Spannung einer Grundschwingungskomponente, eine Winkelgeschwindigkeit beziehungsweise einen elektrischen Winkel des Magnetflusses bezeichnen.
Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei der Drehzahl/Stellungsberechnungsgeber die Magnetflusskomponente entfernt, um eine Welligkeit der Drehzahl des Motors zu verringern, um so eine induzierte Spannung einer Grundschwingungskomponente herauszulösen, wobei die Formel
verwendet wird und wobei ψ¹ _α und ψ¹ _β, i_q, i_d, L_q, ω_e, e_α1 und e_β1 die benutzerdefinierten Magentflussverkettungen, die Ströme der d-Achse und der q-Achse, die Induktivität der q-Achse und die elektrische Winkelgeschwindigkeit beziehungsweise die Grundschwingungskomponenten bezeichnen.
Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei der Drehzahl/Stellungsberechnungsgeber die Spannungen der α-Achse und der β-Achse im stationären Koordinatensystem unter Verwendung der Gleichung
berechnet und die Stellung und die Drehzahl des Rotors durch Ausgeben der Gleichung
und wm = 2P we berechnet und wobei v_α und v_β, i_α und i_β, ψ'_α und ψ'_β, e_α1 und e_β1, e_αd und e_βd, ω_e und ω_m, R_s, L_q und P die Spannungen der α-Achse und der β-Achse, die Ströme der α-Achse und der β-Achse, die benutzerdefinierten Magnetflussverkettungen, die Grundschwingungskomponenten der induzierten Spannung, die Gleichstromkomponenten der induzierten Spannung, eine elektrische Winkelgeschwindigkeit und eine mechanische Winkelgeschwindigkeit, einen statorseitigen Widerstand, eine Induktivität der q-Achse und eine Anzahl der Pole bezeichnen.
Vorrichtung zum Regeln der Drehzahl eines Motors, umfassend: einen ersten Subtrahierer zum Vergleichen einer Solldrehzahl des Motors mit einer berechneten Drehzahl des Motors und zum Ausgeben eines Fehlerwerts gemäß dem Ergebnis des Vergleichs; einen ersten PI-Regler zum Ausgeben der Solldrehmomentstromkomponente zum Kompensieren des Fehlerwerts; einen dritten Subtrahierer zum Vergleichen der Solldrehmomentstromkomponente mit der wirklichen Drehmomentstromkomponente und zum Ausgeben eines Fehlerwerts gemäß dem Ergebnis des Vergleichs; einen dritten PI-Regler zum Ausgeben einer Solldrehmomentspannungskomponente der Solldrehmomentstromkomponente zum Kompensieren des Fehlerwerts, der vom dritten Subtrahierer ausgegeben wird; einen zweiten Subtrahierer zum Vergleichen der Sollmagnetflussstromkomponente mit der wirklichen Magnetflussstromkomponente und zum Ausgeben eines Fehlerwerts gemäß dem Ergebnis des Vergleichs; einen zweiten PI-Regler zum Ausgeben der Sollmagnetflussspannungskomponente der Sollmagnetflussstromkomponente zum Kompensieren des Fehlerwerts, der vom zweiten Subtrahierer ausgeben wird; einen Synchron/Stationär-Koordinaten-Umsetzer zum Empfangen der Sollmagnetflussspannungskomponente, die vom zweiten PI-Regler ausgegeben wird, und der Solldrehmomentspannungskomponente, die vom dritten PI-Regler ausgegeben wird, und zum Ausgeben der Sollspannung der α-Achse in dem stationären Koordinatensystem und einer Sollspannung der β-Achse in dem stationären Koordinatensystem; einen Dreiphasen-Spannungsgenerator zum Umwandeln der Sollspannung der α-Achse in dem stationären Koordinatensystem und der Sollspannung der β-Achse in dem stationären Koordinatensystem, die vom Synchron/Stationär-Koordinaten-Umsetzer ausgegeben werden, in drei Phasenspannungen und zum Ausgeben der drei Phasenspannungen; einen Wechselrichter zum Anlegen der drei Phasenspannung, die durch den Dreiphasen-Spannungsgenerator erzeugt wird, an den Motor; einen Zweiphasen-Stromgenerator zum Umwandeln des dreiphasigen Stroms, der an den Motor angelegt wird, in einen zweiphasigen Strom und zum Ausgeben des zweiphasigen Stroms; einen Drehzahl/Stellungsberechnungsgeber zum Empfangen der Sollspannung der α-Achse, der Sollspannung der β-Achse, des zweiphasigen Stroms und der Solldrehzahl, wobei die induzierte Spannung einer Grundschwingungskomponente aus dem Strom der α-Achse und dem Strom der β-Achse herausgelöst wird, zum Berechnen einer Stellung und der Drehzahl des Motors und zum Ausgeben der berechneten Drehzahl des Motors und der Sinus- und Cosinus-Werte eines Magnetflusswinkels eines Rotors des Motors; und einen Stationär/Synchron-Koordinaten-Umsetzer zum Empfangen des zweiphasigen Stroms und der Sinus- und Cosinus-Werte, zum Umwandeln des zweiphasigen Stroms und der Sinus- und Cosinus-Werte in ein synchrones Koordinatensystem und zum Ausgeben der wirklichen Drehmomentstromkomponente und der wirklichen Magnetflussstromkomponente.
Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei der Motor ein synchroner Reluktanzmotor (SYNRM) ist.
Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei der Drehzahl/Stellungsberechnungsgeber nur eine induzierte Spannung einer Grundschwingungskomponente vom Strom der α-Achse und vom Strom der β-Achse herausrechnet.