DE10226974A1

DE10226974A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung einer Rotorlage einer feldorientiert betriebenen Drehfeldmaschine ohne mechanischen Sensor

Info

Publication number: DE10226974A1
Application number: DE2002126974
Authority: DE
Inventors: Hans-Georg Koepken
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2002-06-17
Filing date: 2002-06-17
Publication date: 2004-01-08

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bestimmung einer Rotorlage (THETA) einer feldorientiert betriebenen Drehfeldmaschine (16) ohne einen mechanischen Sensor im Stillstand und bei kleiner Drehzahl und auf eine Vorrichtung (42) zur Durchführung des Verfahrens. Erfindungsgemäß wird ein zur Pulsweitenmodulation synchroner feldorientierter Testraumzeiger DOLLAR I1 einem geforderten Sollspannungs-Raumzeiger (u*¶d,q¶) überlagert, werden pro Schaltperiode (T¶s¶) wenigstens zwei Stromamplituden ermittelt, wird in Abhängigkeit dieser Stromamplitude ein testsignalbedingter Stromwechselantrieb (A¶w¶) bestimmt, der anschließend in einen proportionalen Fehlerwinkel (epsilon) gewandelt wird, und wird eine geschätzte Rotorlage derart nachgeführt, dass der Fehlerwinkel (epsilon) zu Null wird. Somit erhält man eine sensorlose Lageerkennung, die nachträglich in eine bestehende Servoregelung integriert werden kann, und wobei das Testsignal vollständig vom Stromregler entkoppelt ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bestimmung einer Rotorlage einer feldorientiert betriebenen Drehfeldmaschine, die eine von der Rotorlage abhängige wirksame Induktivität aufweist, ohne einen mechanischen Sensor im Stillstand und bei kleiner Drehzahl und auf eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.
Für Servoantriebe wird meistens eine permanenterregte Synchronmaschine eingesetzt. Durch ihren kommutatorlosen Aufbau sind die Maschinen wartungsarm und ihr hohes Leistungsgewicht führt zu einem geringen Bauvolumen. Durch die feldorientierte Regelung der permanenterregten Synchronmaschine wird die Regelung der fluss- und momentenbildenden Stromkomponenten entkoppelt. Hierzu werden die Ströme auf ein rotorflussorientiertes Koordinatensystem transformiert. Da der Rotorfluss der Synchronmaschine betragsmäßig konstant und bezüglich des Rotors ortsfest ist, kann der für die Transformation benötigte Rotorflusswinkel einfach mit einem mechanischen Sensor ermittelt werden. Als mechanischer Sensor wird ein optischer Encoder oder ein magnetischer Resolver verwendet. Der mechanische Sensor erfüllt meistens zwei Funktionen:

1. Bestimmung der Rotorlage für eine feldorientierte Regelung. Das bedeutet, dass der Strom im Motor immer entsprechend dem Rotorwinkel eingestellt wird und so exakt das geforderte Moment eingestellt werden kann.
2. Bestimmung der Lastposition aus der Rotorlage. Die Lage der über eine feste Übersetzung an dem Motor angekoppelten Last wird aus der Rotorlage bestimmt. Dazu wird beim Start des Systems ein Referenzpunkt angefahren und dann im Betrieb die Lage mitgeführt.

Die Rotorlagemessunq verursacht jedoch nennenswerte Kosten, da ein Geber, ein Einbauplatz, ein Steckverbinder, eine Geberleitung und eine Geberauswertung vorgesehen werden müssen.
Eine geberlose, feldorientierte Regelung wird bisher nur bei Asynchronmotoren eingesetzt. Diese funktioniert jedoch erst ab einer Mindestdrehzahl, beispielsweise einige Prozent der Nenndrehzahl, ist also nicht zum Positionieren geeignet. Außerdem steht keine Rotorlageinformation, die zur Bestimmung der Lage der Last genutzt werden könnte, zur Verfügung.
Einen ähnlichen geberlosen, feldorientierten Betrieb gibt es auch bei der permanenterregten Synchronmaschine. Er basiert auf der bei Drehung induzierten Spannung und ist daher auch erst ab einer Mindestdrehzahl möglich und somit nicht zum Positionieren geeignet.

Aus der WO 92/01331 A1 ist ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zur sensorlosen Drehwinkelerfassung einer dämpferlosen, vorzugsweisen permanentmagneterregten, über einen Stromrichter gespeisten Synchronmaschine bekannt. Dieses bekannte Verfahren verwendet blockförmige, statororientierte Testvektoren. Es unterbricht den Stromregelkreis, indem es statt des Modulatorausgangs eine Folge von kurzen Testpulsen anlegt. Dabei wird der Strom jeweils mit der vollen Zwischenkreisspannung auf- und wieder abgebaut. Dieser Vorgang wird für alle drei Phasen nacheinander durchgeführt. Der direkte Übergang von einem aktiven Zeiger auf den entgegengesetzten aktiven Zeiger verursacht einen erhöhten Spannungssprung (zweifache Zwischenkreisspannung), was unter Umständen ungünstig für die Motorisolation ist. Die durch die Spannungspulse verursachte Stromänderung wird durch schnelles Abtasten des Stroms während des Stromanstiegs und während des Stromabfalls gemessen. Es wird also eine entsprechend schnelle und synchronisierte Strommessung benötigt. Da die Lage der Stromimpulse durch die Statorwicklungen bestimmt ist und somit je nach Läuferlage entsprechend hohe Momentenpulse entstehen führt die Testpulse zu hohen Geräuschen. Dieses Verfahren erfordert Eingriffe in der Pulserzeugung und in die Stromregelung. Außerdem steht eine Lageinformation immer nur nach den eingeführten Testblöcken zur Verfügung, was einer Begrenzung der Bandbreite der Lageerkennung entspricht.

Aus der EP 0 228 535 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung des Flusswinkels einer Drehfeldmaschine bzw. zum lageorientierten Betrieb der Maschine bekannt. Bei diesem Verfahren wird einer elektrischen Zustandsgröße des Ständerwicklungssystems ein hochfrequenter Anteil eingeprägt. Unter den elektrischen Zustandsgrößen des Ständerwicklungssystems sind die Ströme und Spannungen in den einzelnen Ständerspulen verstanden und die Achsen derjenigen Spulen, denen der hochufrequente Anteil eingeprägt wird, bestimmen die Richtung des eingeprägten hochfrequenten Anteils. Es zeigt sich, dass z.B. bei einem eingeprägten Hochfrequenzstrom in einer oder mehreren Ständerspulen auch in der Spannung dieser Spulen und in den Strömen und Spannungen der anderen Spulen hochfrequente Anteile auftreten, deren Amplitude vom Differenzwinkel zwischen der Flussachse bzw. der Richtung des eingeprägten Anteils abhängt. Daher wird aus einem Zustandssignal, das eine andere Zustandsgröße des Ständerwicklungssystems abbildet, die Amplitude des hochfrequenten Anteils erfasst; der gesuchte Richtungswinkel wird aus der Abhängigkeit der erfassten Amplitude von der vorgegebenen Richtung des eingeprägten Hochfrequenzteils bestimmt.

Gemäß diesem Verfahren ist nun vorgesehen, dem Ständerstrom mittels eines gegenüber der Frequenz des Bezugsvektors hochfrequenten Zusatz-Sollvektors einen hochfrequenten Anteil zu überlagern. Die Überlagerung kann durch Vektoraddition zum feldorientierten Sollvektor oder zu dem entsprechenden, in das ständerorientierte Koordinatensystem übertragenen Vektor oder auf eine andere, mathematisch äquivalente Weise erfolgen. Folglich erhält auch der Steuervektor einen entsprechend hochfrequenten Anteil, der dem Ständerstrom über den Stromrichter eingeprägt wird. Handelt es sich bei dem Zusatzvektor um einen Vektor mit rasch veränderlicher Richtung, so ist auch die Steuerung entsprechend rasch veränderlich. Durch die Aufprägung eines hochfrequenten Anteils im Ständerstrom oder in der Ständerspannung werden in der Ständerwicklung dadurch hochfrequente Spannungsanteile (bzw. Stromanteile) eingekoppelt, deren Hüllkurven der Lage der Feld- oder Läuferachse zugeordnet werden. Diese Hüllkurven werden durch geeignete Mittel den Komponenten des Richtungsvektors zugeordnet. Zur Bildung des Richtungsvektors ist ein Flussrechner vorgesehen, der aus elektrischen Größen der Maschine die ständerbezogenen Komponenten eines den Fluss beschreibenden Modellvektor verrechnet.

Dieses Verfahren geht von der Beobachtung aus, dass ein in eine der Ständerspulen eingeprägter hochfrequenter Anteil der einen Zustandsgröße einen hochfrequenten Anteil der anderen Zustandsgröße der gleichen Spule und Hochfrequenzanteile der Zustandsgrößen der anderen Spulen induziert. Die Hochfrequenzanteile hängen von der Lage der Läufer- bzw. Feldachse ab. Als Zusatz-Sollvektor wird eine sinusförmige Schwingung von etwa 250 Hz verwendet. Mittels dieses Verfahrens ist ein feldorientierter Betrieb einer Synchronmaschine möglich.

Aus der US-PS 6 005 365 ist eine Motorkontrolleinrichtung für eine Synchronmaschine ohne mechanischen Sensor bekannt. Bei dieser Motorsteuereinrichtung wird ebenfalls ein sinusförmiges Testsignal verwendet, das in der d-Achse überlagert wird und als Stromsollwert vorgegeben wird. Ausgewertet wird die Querkopplung.

Ähnlich arbeitet auch das Verfahren, das im Aufsatz mit dem Titel „Rotor Position and Velocity Estimation for a Salient-Pole Permanent Magnet Synchronous Machine at Standstill and High Speeds", veröffentlicht in der Zeitschrift „IEEE Transactions on Industry Applications", Vol. 34, No. 4, Juli/Aug. 1998, Seiten 784 bis 789, publiziert ist. Dieses Verfahren ist allerdings mit Berücksichtigung der drehzahlbedingten Querkopplung und mit einer Beobachterstruktur für die Frequenzregelung ausgestattet. Außerdem wird eine synchrone Gleichrichtung zur Bestimmung der Querkomponente des Stroms eingesetzt. Bei diesem Verfahren wird das Testsignal jedoch in die momentenbildende Achse gelegt. Dies verursacht ein mit der Testfrequenz pulsierendes Drehmoment, was zu einem Pfeifen und zu mechanischen Schwingungen führt. Dafür ergibt sich eine bessere Entkopplung der Lageerkennung vom Stromregelkreis.

Nachteilig ist bei all diesen Verfahren die geringe nutzbare Breite, da das Testsignal deutlich tieffrequenter als die Schaltfrequenz sein muss und die nutzbare Bandbreite wieder deutlich unterhalb der Testsignalfrequenz liegt.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Bestimmung einer Rotorlage einer feldorientiert betriebenen Drehfeldmaschine, die eine von der Rotorlage abhängige wirksame Induktivität aufweist, anzugeben, bei dem die Bandbreite wesentlich erhöht ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Verfahrensschritten des Anspruches 1 gelöst.

Durch die Synchronisierung des Testraumzeigers auf die Pulsweitenmodulation einer feldorientierten Regelung der Drehfeldmaschine mit einer von der Rotorlage abhängigen wirksamen Induktivität, wird eine hohe nutzbare Bandbreite erreicht. Ferner entstehen bei der Bestimmung der Rotorlage geringere Geräusche. Außerdem wird durch diese Synchronität des Testraumzeigers mit der Pulsweitenmodulation eine saubere Entkopplung des von der feldorientierten Regelung geforderten Spannungs-Raumzeigers und des Testraumzeigers ermöglicht.

Dieser zur Pulsweitenmodulation synchrone Testraumzeiger erzeugt im Stromraumzeiger der Drehfeldmaschine einen testsignalbedingten Stromwechselanteil, der nur vom Testsignal und der Rotorlage der feldorientiert betriebenen Drehfeldmaschine abhängig ist. Außerdem ist dieser Stromwechselanteil unabhängig vom angeforderten Spannungs-Raumzeiger. Damit ist der testsignalbedingte Stromwechselanteil proportional zu einem Fehlerwinkel, der zwischen einer geschätzten und der tatsächlichen Rotorlage auftritt. Sobald dieser Fehlerwinkel zu Null geregelt worden ist, entspricht die nachgeführte geschätzte Rotorlage der tatsächlichen Rotorlage der feldorientiert betriebenen Drehfeldmaschine. Zur Ermittlung dieses testbedingten Stromwechselanteils werden wenigstens zwei Stromamplituden pro Schaltperiode eines Strom-Raumzeigers verwendet. Da der Testraumzeiger synchron zur Pulsweitenmodulation ist, kann mit einfachen Mitteln der testbedingte Stromwechselanteil wieder vom Motorstrom-Raumzeiger der feldorientiert betriebenen Drehfeldmaschine getrennt werden. Somit ist eine vollständige Entkopplung des Testraumzeigers von der Stromregelung der feldorientierten Regelung der Drehfeldmaschine möglich.

Bei einem vorteilhaften Verfahren wird die Richtung des Testraumzeigers so der ermittelten Rotorlage nachgeführt, dass dieser in der d-Achse der feldorientiert betriebenen Drehfeldmaschine liegt. Dadurch wird von einem vom Testraumzeiger verursachten Teststromraumzeiger kein Drehmoment erzeugt. Dadurch wird die Geräuschentwicklung der Drehfeldmaschine bei der sensorlosen Rotorlagebestimmung wesentlich reduziert.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind den Unteransprüchen 3 bis 6 zu entnehmen.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens schematisch veranschaulicht ist.
1 zeigt die Struktur einer bekannten Servoregelung, in der
2 ist eine Servoregelung mit einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt, die
3 zeigt einen Querschnitt durch einen Servomotor, wogegen in der
4 die Koordinatensysteme bei einer sensorlosen Rotorlageermittlung dargestellt sind, in der
5 sind mehrere Signalverläufe jeweils in einem Diagramm über der Zeit t dargestellt, die das erfindungsgemäße Verfahren wiederspiegelt, und in der
6 sind mehrere Spannungsverläufe jeweils mit einem zugehörigen Stromverlauf jeweils in einem Diagramm über der Zeit t veranschaulicht, wobei die
7 anhand der Auswertung mehrerer Strommesswerte pro Schaltperiode die vollständige Entkopplung des Testraumzeigers von der Stromregelung aufzeigt.
Gemäß der Struktur der bekannten Servoregelung besteht diese aus einem Lageregelkreis 2, einem Drehzahlregelkreis 4, einem Stromregelkreis 6 und einer Transformationseinrichtung 8. Diese Regelung erzeugt einen Raumzeiger als Stellgröße, der mittels eines Modulators 10 in Ansteuersignale für einen Leistungsteil 12, beispielsweise einem selbstgeführten Pulsstromrichter, gewandelt wird. Diese Ansteuersignale werden mittels einer Verriegelungseinrichtung 14 miteinander verriegelt. Das Leistungsteil 12 steuert eine Drehfeldmaschine 16 mit einer von der Rotorlage Θ abhängigen wirksamen Induktivität. Eine derartige Drehfeldmaschine 16 ist eine permanenterregte Synchronmaschine. Der Stromregelkreis 6 ist dem Drehzahlregelkreis 4 unterlagert, der wiederum dem Lageregelkreis 2 unterlagert ist.
Der Lageregelkreis 2 besteht aus einem Regler 20 und einem Vergleicher 22, der ausgangsseitig mit dem Eingang des Reglers 20 verknüpft ist. Am invertierenden Eingang des Verglei chers 22 steht ein ermittelter Rotorlagewert T, wogegen ein zugehöriger Sollwert Θ* am nichtinvertierenden Eingang dieses Vergleichers 22 ansteht. Am Ausgang des Reglers 20 des Lageregelkreises 2 steht eine Drehzahl-Stellgröße Θ . _y an, die einem nichtinvertierenden Eingang eines Vergleichers 24 des unterlagerten Drehzahlregelkreises 4 zugeführt wird. Auch dieser Drehzahlregelkreis 4 weist einen Regler 26 auf, der dem Vergleicher 24 nachgeschaltet ist. Am invertierenden Eingang des Vergleichers 24 steht ein ermittelter Drehzahl-Istwert Θ . an, der beispielsweise aus dem Rotorlagewert T durch Differenziation abgeleitet ist. An einem zweiten nichtinvertierenden Eingang steht ein Drehzahl-Sollwert Θ .* an. Mittels diesem Drehzahlregelkreis 4 wird ein Sollwert einer drehmomentbildenden Stromkomponente i * / q erzeugt. Da die Drehfeldmaschine 16 eine permanenterregte Synchronmaschine ist, wird kein Flussregelkreis benötigt, der eine flussbildende Stromsollwertkomponente i * / d erzeugt. Aus diesem Grund ist der Sollwert der flussbildenden Stromkomponente i * / d gleich Null.
Der Stromregelkreis 6 dieser feldorientierten Regelung weist für die beiden feldorientierten Stromkomponenten i * / d und i * / q zwei Regelkanäle auf. Jeder Regelkanal weist einen Vergleicher 28 bzw. 30 und einen Regler 32 bzw. 34 auf. An den nichtinvertierenden Eingängen dieser Vergleicher 28 und 30 steht jeweils ein Sollwert, der drehmoment- und flussbildenden Stromkomponente i * / q und i * / d an. An deren invertierenden Eingängen stehen die korrespondierenden Istwerte der drehmoment- und flussbildenden Stromkomponente i_q und i_d an. Jeder Regler 32 und 34 erzeugt einen Spannungswert einer Spannungskomponente u * / q und u * / d des vom Stromregelkreis 6 geforderten Spannungs-Raumzeigers
. Diese feldorientierten Spannungskomponenten u * / q und u * / d werden mittels eines Vektordrehers 36 der Transformationseinrichtung 8 in ständerorientierte Spannungskomponente u * / und u * / α gedreht. Für diese Vektordrehung wird der ermittelte Rotorlagewert Θ benötigt. Mittels eines weiteren Vektordrehers 38 dieser Transformationseinrichtung 8 werden auch die ermittelten ständerorientierten Stromkomponenten i_α und i_β des Motorstroms-Raumzeigers
in feldorien tierte Stromkomponenten i_d und i_q unter Zuhilfenahme des ermittelten Rotorlagewertes Θ gedreht. Diese Transformationseinrichtung 8 ist somit eine Schnittstelle zwischen der feldorientierten Regelung und der stromrichtergespeisten Drehfeldmaschine 16.
Damit der generierte Spannungs-Sollraumzeiger u * / d und u * / q mittels des Leistungsteils 12 an die Drehfeldmaschine 16 angelegt werden kann, müssen die beiden ständerorientierten Spannungskomponenten u * / α und u * / β mittels des Modulators 10, beispielsweise ein Pulsweitenmodulator, in phasenbezogene Steuersignale gewandelt werden. Diese erzeugten phasenbezogenen Steuersignale werden mittels der Verriegelungseinrichtung 14 gegeneinander verriegelt. Diese Verriegelungseinrichtung 14 sorgt dafür, dass kein Brückenkurzschluss im Leistungsteil 12 bei funktionstüchtigen Halbleiterschalter auftreten kann. Der in der Drehfeldmaschine 16 fließende Strom wird phasenmäßig erfasst und mittels eines Koordinatenwandlers 40 in orthogonale Stromkomponenten i_α und i_β eines ständerorientierten kartesischen Koordinatensystems transformiert.
Die 2 zeigt die Struktur einer bekannten Servoregelung gemäß 1, die um eine Vorrichtung 42 zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens erweitert ist. Der Lage-, Drehzahl- und Stromregelkreis 2, 4 und 6 sind zu einer Regelung 18 zusammengefasst, an deren Eingängen ein Rotorlage-Istwert Θ, ein Drehzahl-Istwert Θ ., ein Rotorlage-Sollwert T*, ein Drehzahl-Sollwert Θ .* und die Stromkomponenten i_d und i_q eines ermittelten Motorstrom-Raumzeigers
anstehen. Außerdem weist diese Struktur der bekannten Servoregelung eine Vorrichtung 44 auf, mit der in bekannter Weise die Rotorlage T der Drehfeldmaschine 16 bei hoher Drehzahl Θ . ermittelt wird.
Diese Vorrichtung 44 weist ein EMK-Modell 46, eine Einrichtung 48 zur Bestimmung eines Fehlerwinkels ε und einer Einrichtung 50 zur Bestimmung des Vorzeichens der Drehzahl Θ . auf. Der ermittelte Fehlerwinkel ε wird einem Phasenregelkreis 52 zugeführt, der den Rotorlage-Istwert Θ derart nachführt, dass der Fehlerwinkel ε zu Null wird.
Das EMK-Modell 46 weist spannungsseitig einen Vektordreher 54 auf, der den feldorientierten Spannungs-Sollraumzeiger u * / d,q in einen ständerorientierten Spannungs-Sollraumzeiger u * / α,β mit Hilfe des ermittelten Rotorlage-Istwertes Θ dreht. Stromseitig weist dieses EMK-Modell 46 eine Einrichtung 56 zur Bestimmung stromabhängiger Spannungsabfälle auf, die mittels eines Subtrahierers 58 vom ständerorientierten Spannungs-Sollraumzeiger u * / α,β subtrahiert werden. Am Ausgang dieses Subtrahierers 58 stehen die orthogonalen Komponenten u_ΕΜΚα und u_EMKβ des induzierten Spannungs-Raumanzeigers
an. Mittels diesem EMK-Modell 46 wird die ständerfeste Spannungsgleichung der Drehfeldmaschine 16 umgesetzt. Dieses EMK-Modell 46 ist auch als Spannungs-Modell bekannt. In den im Handel erhältlichen Stromrichtergeräten mit feldorientierter Regelung können anstelle eines Spannungs-Modells auch ein Strom-Modell bzw. ein Spannungs-Strom-Modell als EMK-Modell 46 verwendet werden.
Der ermittelte Raumzeiger
, der im kartesischen Koordinaten vorliegt, wird mittels eines Koordinatenwandlers 60 in polare Koordinaten umgewandelt, wobei die Winkelkoordinaten Θ_EMK mittels eines nachgeschalteten Vergleichers mit einem ermittelten Rotorlage-Istwert Θ verglichen wird. Ausgangsseitig steht dann ein Fehlerwinkel ε' an, der der Einrichtung 50 zur Bestimmung des Vorzeichens des Drehzahl-Istwertes Θ . zugeführt wird. Am Ausgang dieser Einrichtung 50 steht dann der korrekte Fehlerwinkel e an. Diese Einrichtung 50 weist eine Vorzeichenerkennung 64 und einen Vergleicher 66 auf. Mittels dieser Vorrichtung 44 in Verbindung mit dem Pha senregelkreis 52 kann der Rotorlage-Istwert T bei hoher Drehzahl Θ . ermittelt werden.
Diese bekannte Vorrichtung 44 kann nur bis zu einer unteren Drehzahl Θ . _G betrieben werden, die beispielsweise 5% der Nenndrehzahl Θ . _n der Drehfeldmaschine 16 entspricht. Bis zu dieser unteren Grenz-Drehzahl Θ . _G kann ein EMK-Raumzeiger
bestimmt werden.
Um die Rotorlage Θ einer Drehfeldmaschine 16 auch unterhalb dieser Grenz-Drehzahl Θ . _G bestimmen zu können, ohne dass man einen mechanischen Sensor verwenden muss, ist die Vorrichtung 42 zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen. Diese Vorrichtung 42 weist einerseits eine Einrichtung 68 zur Gggenerierung eines Testraumzeigers
mit einer nach geschalteten Additionseinrichtung 70 und andererseits eine Recheneinheit 72 mit nachgeschalteter Umrecheneinrichtunq 74 auf. Diese Additionseinrichtung 70 weist für jede feldorientierte Komponente d, q einen Addierer auf, so dass die Komponenten d, q des geforderten Spannungs-Sollraumzeigers
und die Komponenten d und q des generierten Testraumes
komponentenweise überlagert werden können. Dadurch entsteht ein Spannungs-Sollraumzeiger
der einen hochfrequenten Wechselanteil aufweist. Dieser Spannungs-Sollraumzeiger
wird mittels des Leistungsteils 12 an den Ständerwicklungen der Drehfeldmaschine 16 angelegt. Dadurch fließt in der Drehfeldmaschine 16 ein Motorstrom, der ebenfalls einen hochfrequenten Wechselanteil aufweist. Die orthogonalen Stromkomponenten i_dW und i_qW dieses Motorstrom-Raumanzeigers
werden ständerseitig ermittelt und mittels des Vektordrehers 38 in feldorientierte Stromkomponenten i_dW und i_qW transformiert. Mittels der Recheneinrichtung 72 wird das Testsignal vollständig vom Strom-Istraumzeigers
getrennt. Als Ergebnis erhält man an den beiden Ausgängen der Recheneinrichtung 72 ei nerseits einen testsignalbedingten Stromwechselanteil A_W und feldorientierte Komponenten d und q eines Strom-Istraumzeigers
, der keinen testsignalbedingten Stromwechselanteil A_W
mehr aufweist. Dieser testsignalbedingte Stromwechselanteil A_W hängt nur noch vom Testsignal und der Rotorlage T der Drehfeldmaschine 16 ab. Aus diesem testsignalbedingten Stromwechselanteil A_W, der proportional zum Sinus des doppelten Fehlerwinkels ε ist, wird mittels der Umrecheneinrichtung 74 der Fehlerwinkel e bestimmt. Im eingeschwungenen Zustand ist dieser Fehlerwinkel e gleich Null, womit an einem Ausgang des Phasenregelkreises 52 die wahre Rotorlage Θ der Drehfeldmaschine 16 ansteht.
Die Recheneinrichtung 72 weist zwei Auswerteeinrichtungen 76 und 78 auf, mit denen ermittelte Stromamplituden a, b, c, d und e der feldorientierten Stromkomponenten i_dW und i_qW pro Schaltperiode T_S gewichtet und zu einem Stromwert addiert werden. Dazu weisen diese Auswerteeinrichtungen 76 und 78 jeweils eine Vorschrift auf, mit denen der testsignalbedingte Stromwechselanteil A_W und die Stromamplitude A des feldorientierten Motorstrom-Istraumzeigers
bestimmt werden. In der Umrecheneinrichtung 74 ist ebenfalls eine Rechenvorschrift hinterlegt. Diese lautet 0,5 × arcsin. Die Vorschriften der beiden Auswerteeinrichtungen 76 und 78 werden anhand der 6 und 7 näher erläutert.
In der 3 ist der Querschnitt durch eine Drehfeldmaschine 16, insbesondere ein Servomotor, dargestellt. Der Rotor 80 dieses Servomotors 16 weist zwei Permanentmagnete 82 und 84 auf, die einen Erregerfluss erzeugen. Die Richtung dieses Erregerflusses wird als d-Achse bezeichnet. Wenn sich der Rotor 80 in positiver Richtung dreht, wird eine Spannung senkrecht dazu induziert. Diese Richtung wird als q-Achse bezeichnet. Diese induzierte Spannung wird auch als EMK-Spannung bzw. EMK-Raumzeiger
bezeichnet. Wenn eine Spannung an die ruhende Maschine 16 angelegt wird, dann ändert sich der Maschi nenstrom. Die dabei wirksame Induktivität ist in der d-Achse geringer als in der q-Achse, da der magnetische Fluss der Permanentmagnete 82 und 84 den Eisenkreis in der d-Richtung sättigt.
Beim Betrieb ohne mechanischen Sensor ist die wahre Rotorlage T nicht bekannt, daher arbeitet die Lageerkennung mit einem umlaufenden x, y-Koordinatensystem. In der 4 ist dieses umlaufende x, y-Koordinatensystem mit dem ständerfesten α,β-Koordinatensystem und mit dem umlaufenden d, q-Rotorkoordinatensystem dargestellt. Die d-Achse dieses d, q-Rotorkoordinatensystem befindet sich in der Erregerflussrichtung des von den Permanentmagneten 82 und 84 erzeugten Erregerflusses. Dieses mit der Rotorgeschwindigkeit ω umlaufende d, q-Koordinatensystem, weist einen von der Rotorgeschwindigkeit ω abhängigen Rotorlagewert Θ auf. In der 4 ist das umlaufende x, y-Koordinatensystem nacheilend zum d, q-Koordinatensystem eingezeichnet. Der Winkel zwischen diesen beiden umlaufenden Koordinatensystemen ist e, der als Fehlerwinkel bezeichnet wird. Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird von einem geschätzten bzw., bestimmten Anfangslagewinkelwert ausgegangen. Als Ergebnis erhält man einen Fehlerwinkel e, der angibt, wie weit das x, y-Koordinatensystem gegenüber dem d, q-Koordinatensystem verdreht ist. Mittels des Phasenregelkreises 52 wird der Anfangslagewinkelwert derart nachgeführt, dass der Fehlerwinkel e zu Null wird. Sobald der Fehlerwinkel ε Null ist, entspricht der geführte Anfangslagewinkelwert dem tatsächlichen Rotorlagewert Θ der Drehfeldmaschine 16. In der 4 wäre dann das x, y-Koordinatensystem und das d, q-Rotorkoordinatensystem deckungsgleich.
In der 5 sind mehrere Signalverläufe der erfindungsgemäßen Servoregelung gemäß 2 jeweils in einem Diagramm über der Zeit t dargestellt. Die Zeitspanne dieser Signalverläufe erstreckt sich über drei Schaltintervalle n-1, n und n+1. Die Signalverläufe u * / d,q, u_T und u_W zeigen jeweils eine Komponente der entsprechenden Raumzeiger

und
die jeweils aus zwei orthogonalen Komponenten bestehen. Zur Verdeutlichung des erfindungsgemäßen Verfahrens genügt, dass jeweils nur eine Komponente dieser Raumzeiger

und
dargestellt sind.
Die Spannungskomponente u * / d bzw. u * / q ist die vom Stromregler 34 bzw. 32 (1) gewünschte Spannungskomponente. Der Stromregler 32 bzw. 34 wird mit einem Abtastintervall T_S von 250 μsec bei einer Schaltfrequenz f_s = 4 kHz ausgeführt. In diesem Takt ändern sich also auch die von ihnen gewünschten Spannungswerte. Die tatsächlichen Werte hängen vom Betrieb der Maschine 16 ab, so dass die in dieser 5 gezeigten Signalverläufe nur als Beispiel zu verstehen sind. In diesem Beispiel ist die Drehzahl Θ . gleich Null, wogegen die Stromregler 32 und 34 den Strom im Taktintervall n erhöhen. Die Begrenzung des Stromregeltaktes T_S auf die Schaltfrequenz f_s stellt keine Einschränkung der Bandbreite des Drehzahlregelkreises 4 dar, da die sinnvolle Drehzahlregelbandbreite sowieso durch die Ungenauigkeit der aus der geschätzten Lage bestimmten Drehzahl Θ . begrenzt wird. Der Signalverlauf u_T ist das synchrone, rechteckförmige Testsignal. Frequenz und Amplitude dieses Testsignals können unabhängig vom Betriebszustand der Maschine 16 konstant gelassen werden. Die Richtung des Vektors
wird insbesondere so der Rotorlage Θ nahegeführt, dass der von der Testspannung verursachte Teststrom kein Drehmoment erzeugt. Diese reduziert deutlich die Geräuschentwicklung.
Der Signalverlauf u_W ist die Spannung, die durch Addition von u * / d bzw. u * / q und u_T entsteht. Diese Spannung wird dem Pulsbreitenmodulator 10 zugeführt, nachdem diese in das ständerorientierte α,β-Koordinatensystem transformiert ist. Die Signalverläufe u_r, u_s und u_t sind die vom Pulsbreitenmodulator 10 erzeugten Phasenspannungen. Der Signalverlauf u_pwm ist die Spannung am Motor 16 (genauer: eine Komponente der vektoriellen Spannung zwischen den Motorklemmen). Der Pulsbreitenmodulator 10 sorgt dafür, dass das Integral dieser Spannung über ein Modulationsintervall T_m von 125 μsec bei einer Schaltfrequenz f_s = 4 kHz der gewünschte Spannung u_W entspricht. Der Signalverlauf I_pwm ist der resultierende Maschinenstrom, wobei im gezeichneten Beispiel von stillstehender Maschine 16 ausgegangen wird (also keine induzierte Gegenspannung). In Wirklichkeit ist auch dieser Strom ein Vektor, wobei hier wieder nur eine Komponente dargestellt ist. Man erkennt, dass der Strom jeweils an den Grenzen der Modulationsintervalle n–1, n und n+1 jeweils konstant ist, da dort die Spannung u_pwm Null ist. Diese durch einen Punkt gekennzeichneten Werte a_n, c_n und e_n für das Abtastintervall n werden für die Lageerkennung benötigt. Man kann sie entweder durch eine abtastende Strommessung jeweils an den Intervallgrenzen oder durch eine mittelwertbildende Strommessung um die Intervallgrenze herum bestimmen. Die gestrichelte Linie zeigt den Stromverlauf, der sich ergeben würden, wenn die von den Stromreglern 32 und 34 geforderte Spannung u * / q und u * / d auf die Maschine 16 gegeben würde. Vergleicht man die durch Punkte gekennzeichneten tatsächlichen Stromwerte a, c und e mit dieser gestrichelten Linie, so erkennt man, dass die Werte aus einer Überlagerung des gewünschten Stromes mit einem Wechselanteil durch das Testsignal bestehen.
Die Trapeze unten im Diagramm der 5 zeigen die Messintervalle für die mittelwertbildende Strommessung. Die Mittelwerte des Stromes über die eingezeichneten Intervalle a, c und e entsprechen den Abtastwerten a, c und e, wenn der Nullzeiger mindestens so breit wie das Messintervall ist. Alle diese Werte sind Vektoren. Da das Testsignal und die Testsignalauswertung nur bei kleineren Drehzahlen benötigt werden, bei denen auch die induzierte Spannung klein ist, stellt dies beim eingesetzten Servomotor kein Problem dar. Hieraus ergibt sich aber eine Grenze für die Spannung und damit für das Produkt aus Teststrom-Amplitude und -Frequenz, so dass bei hoher Motorinduktivität unter Umständen die Testsignalfrequenz reduziert werden muss. Dies kann entweder durch eine Verringerung der Schaltfrequenz oder durch eine Verdopplung der Testsig nalperiode und des Stromregeltaktes bei konstanter Schaltfrequenz realisiert werden.
Bei der praktischen Realisierung des Testsignals müssen einige Randbedingungen betrachtet werden:

– Das Testsignal soll mit der normalen Pulsbreitenmodulation realisierbar sein.
– Das Testsignal sollte möglichst hochfrequent sein, da dann
– eine schnellere Lageerkennung möglich ist
– die Geräuschentwicklung reduziert wird.
– Es soll gleichzeitig der Stromregelkreis betrieben werden.
– Es soll eine gute Entkopplung der Lageerkennung von dynamischen Vorgängen möglich sein.
– Der resultierende Strom muss mit der Stromistwerterfassung auswertbar sein.

Die angegebenen Bedingungen lassen sich am besten mit einem zur Pulsweitenmodulation synchronen Testsignal erfüllen. Die Pulsweitenmodulation mit Raumzeigermodulation sorgt durch geeignete Verschiebung der Umschaltpunkte der drei Phasen dafür, dass die Spannung am Motor gemittelt über eine Modulationsperiode der gewünschten Spannung u * / α, u * / β entspricht. Die Null-Komponente wird so gewählt, dass gilt: max (ur, us, ut) = –min (ur, us, ut)
Als Modulationsintervall kann eine halbe Schaltperiode (oder Vielfache davon) gewählt werden. Mit einem Modulationsintervall von einer halben Schaltperiode T_S kann ein Testsignal mit einer Frequenz gleich der Schaltfrequenz f_s erzeugt werden.
Um gleichzeitig die Stromregelung betreiben zu können, wird das Testsignal zur vom Stromregler gewünschten Spannung u * / d,q addiert. Daraus ergibt sich jedoch das Problem, dass dynamische Regelvorgänge mit entsprechend schnellen Spannungsände rungen ebenfalls hochfrequente Signalanteile enthalten, die somit zu unerwünschten Wechselwirkungen mit dem Testsignal u_T führen können. Dies wird dadurch vermieden, dass der Stromregler nur in jeder zweiten Modulationsperiode T_M einen neuen Spannungswert u * / d,q ausgeben darf (z.B. indem die Abtastrate der Stromregelung gleich der Schaltfrequenz f_s gesetzt wird).
Zur Erläuterung der Ermittlung eines testsignalbedingten Stromwechselanteils A_W pro Schaltperiode T_S in Abhängigkeit ermittelter Stromamplituden a, b, c, d und e sind in der 6 die Spannungsverläufe u * / d,q, u_T und u_W mit den zugehörigen Stromverläufen i_d,q, i_T und i_W näher dargestellt. In der 7 daneben sind die Ergebnisse der testsignalbedingten Stromwechselanteile A_W und die Stromistwerte A in Abhängigkeit der beiden Vorschriften für den testsignalbedingten Stromwechselanteil A_W und den Stromistwert A dargestellt. Die Vorschrift zur Bestimmung des testsignalbedingten Stromwechselanteils A_W lautet: AW = (2·c – a – e)/4 und die Vorschrift zur Bestimmung des Stromistwertes A ohne den Stromwechselanteil A_W lautet: A = (0,5·a + b + c + d + 0,5·e)/4.
Durch diese beiden Vorschriften wird eine vollständige Entkopplung des Testsignals von der Stromregelung erreicht, was durch die Zahlenbeispiele verdeutlicht wird.
Der Spannungsverlauf u * / d,q verursacht einen Stromverlauf i_d,q in der Maschine 16 im Abtastintervall n mit den Stromamplituden a = 0, b = 1, c = 2, d = 3 und e = 4. Daraus ergeben sich in Abhängigkeit der genannten Vorschriften ein Wert für den Stromwechselanteil A_W = 0 und für den Stromistwert A = 2. Das Testsignal u_T verursacht im Abtastintervall n einen Stromverlauf i_T, deren Stromamplituden wie folgt lauten: a = –1, b = 0, c = 1, d = 0 und e = –1. Daraus ergeben sich folgende Stromwerte A_W = 1 und A = 0. Im nächsten Diagramm ist der aus den Spannungsverläufen u * / d,q und u_T entstandene Spannungsverlauf u_W mit zugehörigen Stromverlauf i_W dargestellt. Im Abtastintervall n lauten die Stromamplituden wie folgt: a = –1, b = 1, c = 3, d = 3 und e = 3. Daraus resultiert ein testsignalbedingter Stromwechselanteil A_W = 1 und ein Stromistwert A = 2. Das zeigt, dass mit den beiden angegebenen Vorschriften eine vollständige Entkopplung des Testsignals, das beispielsweise im Abtastintervall n einen Stromwechselanteil A_W = 1 generiert, von der Stromregelung, die im Abtastintervall n einen Stromistwert A = 2 generiert, möglich wird.
Mit dem zur Pulsweitenmodulation synchronen feldorientierten Testraumzeiger
und der synchronen Strom-Auswertung erhält man eine sensorlose Lageerkennung im Stillstand und bei kleiner Drehzahl Θ ., die folgenden Vorteile:

– hohe nutzbare Bandbreite
– geringe Geräusche
– Verwendung einer Standard-Pulserzeugung und eines Stan dard-Stromreglers,
– vollständige Entkopplung von Stromregler und Testsignal

Claims

Verfahren zur Bestimmung einer Rotorlage (Θ) einer feldorientiert betriebenen Drehfeldmaschine (16), die eine von der Rotorlage (Θ) abhängige, wirksame Induktivität aufweist, ohne einen mechanischen Sensor im Stillstand und bei kleiner Drehzahl (Θ .) mit folgenden Verfahrensschritten: a) Bereitstellung eines Testraumzeigers
, der synchron zur Pulsweitenmodulation einer feldorientierten Regelung der feldorientiert betriebenen Drehfeldmaschine (16) ist, b) komponentenweise Überlagerung dieses Testraumzeigers
zu feldorientierten Komponenten (u * / d, u * / q) eines synchron zur Pulsweitenmodulation geforderten Sollspannungs-Raumzeigers (
), c) Ermittlung wenigstens zweier Stromamplituden (a,...,e) pro Schaltperiode (T_S) eines Strom-Raumzeigers
der feldorientiert betriebenen Drehfeldmaschine (16), d) Bestimmung eines testsignalbedingten Stromwechselanteils (A_W) pro Schaltperiode (T_S) in Abhängigkeit der ermittelten Stromamplituden (a, c, e), e) Umwandlung dieses testsignalbedingten Stromwechselanteils (A_W) in einen Fehlerwinkel (e), und f) Nachführung einer geschätzten Rotorlage derart, dass der ermittelte Fehlerwinkel (ε) zu Null wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Testraumzeiger (
) derart der ermittelten Rotorlage (Θ) nachgeführt wird, dass dieser in der d-Achse der feldorientiert betriebenen Drehfeldmaschine (16) liegt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der testsignalbedingte Stromwechselanteil (A_W) gemäß folgender Gleichung: AW = (2·c – a – e)/4 bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Testraumzeiger (
) eine rechteckförmige Amplitude aufweist und dessen Frequenz gleich der Schaltfrequenz (f_s) ist.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit der ermittelten Stromamplituden (a,...,e) ein vom testsignalbedingter Stromwechselanteil (A_W) befreiter Stromistwert (A) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromistwert (A) gemäß folgender Gleichung: A = (0,5·a + b + c + d + 0,5·e)/4 bestimmt wird.
Vorrichtung (42) zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit einer feldorientierten Regelung (18) einer feldorientiert betriebenen Drehfeldmaschine (16), dadurch gekennzeichnet, dass eine Einrichtung (68) zur Generierung eines Testraumzeiger (
), eine Additionseinrichtung (70), eine Recheneinrichtung (72) und eine Umrecheneinrichtung (74) vorgesehen ist, dass die beiden Ausgänge der Einrichtung (68) jeweils mit einem Addierer der Additionseinrichtung (70) verbunden sind, deren zweite Eingänge jeweils mit einem Ausgang eines Stromregelkreises (32, 34) der feldorientierten Regelung (18) verbunden sind, dass die Recheneinrichtung (72) eingangsseitig mit Ausgängen einer Transformationseinrichtung (38) und ausgangsseitig mit Eingängen des Stromregelkreises (6) und mit einem Eingang der Umrecheneinrichtung (74) verknüpft ist, und dass die Umrecheneinrichtung (74) ausgangsseitig mit einem Eingang eines Phasenregelkreises (52) verbunden ist.
Vorrichtung (42) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (42) ein Softwaremodul ist.
Vorrichtung (42) nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (42) in der feldorientierten Regelung (18) integriert ist.
Vorrichtung (42) nach einen der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehfeldmaschine (16) mit einer von der Rotorlage (Θ) abhängigen wirksamen Induktivität eine permanenterregte Synchronmaschine ist.
Vorrichtung (42) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die permanenterregte Synchronmaschine ein permanenterregter Servomotor ist.