DE10300953A1

DE10300953A1 - Verfahren zum Bremsen eines mittels eines Stromrichter gespeisten Motors

Info

Publication number: DE10300953A1
Application number: DE10300953A
Authority: DE
Inventors: Viktor Dr. Wesselak
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2003-01-13
Filing date: 2003-01-13
Publication date: 2004-07-29
Anticipated expiration: 2023-01-14
Also published as: DE10300953B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bremsen eines mittels eines Stromrichters (4) gespeisten Motors (5), wobei der Stromrichter (4) mittels einer feldorientierten Regelung geregelt wird, wobei bei Ausfall des für die feldorientierte Regelung notwendigen Orientierungswinkelsignals (φ_r), die Regelung des Stromrichters (4) auf eine nicht-feldorientierte Regelung umgeschaltet wird, wobei gemessene Motorströme (i₁, i₂, i₃) in Stromraumzeigerwerte (i_αist, i_βist) transformiert werden, wobei diese in der nicht-feldorientierten Regelung mit einem Impedanzwert (Z) beaufschlagt werden und als Spannungsraumzeigerwerte (u_αsoll, u_βsoll) an einen Steuersatz des Stromrichters (4) übergeben werden. Das Verfahren ermöglicht somit eine einfache und kostengünstige Möglichkeit zum sicheren und schnellen Bremsen, eines mittels eines Stromrichter gespeisten Motors.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Bremsen eines mittels eines Stromrichters gespeisten Motors, wobei der Stromrichter mittels einer feldorientierten Regelung geregelt wird.
Beim Einsatz von elektrischen Antrieben in der industriellen Automatisierungstechnik, z.B. bei Werkzeugmaschinen, Produktionsmaschinen oder Robotern wird ein möglichst hoher Schutz von Mensch und Maschine angestrebt.
Die hierbei in den Antrieben verwendeten Motoren werden im allgemeinen mittels eines Stromrichters gespeist und gesteuert. Zur Regelung des Motors wird häufig eine sogenannte feldorientierte Regelung eingesetzt, die auf einer Entkoppelung der feld- und momentenbildenden Stromkomponenten beruht. Eine solche Entkoppelung geschieht unter anderem durch eine Berechnung der Stromkomponenten in einem z.B. mit dem Läuferfluss des Motors umlaufenen Koordinatensystem. Eine solche feldorientierte Regelung benötigt zur Berechnung des Flusswinkels im Motor ein sogenanntes Orientierungswinkelsignal wie z.B. ein Rotorlagewinkel, der mittels eines sich am Motor befindlichen Gebers gemessen wird. Bei einer feldorientierten Regelung geht z.B. bei Ausfall des Gebers die Information über die Winkellage des Drehfeldes im Motor für die Regelung verloren. Eine ordnungsgemäße Regelung bzw. Steuerung des Motors mittels einer feldorientierten Regelung ist dann nicht mehr möglich.
Um eine Gefährdung der Anlage oder Personen zu vermeiden, muss deshalb der Antrieb bei Ausfall des Orientierungswinkelsignals möglichst schnell, insbesondere z.B. im Hinblick auf den begrenzten Verfahrweg von Linearmotoren, stillgesetzt werden.
Um in einen solchen Fehlerfall einen möglichst schnellen Halt des Motors sicherzustellen, wird üblicherweise eine sogenannte Ankerkurzschlussbremsung eingesetzt. Bei einer solchen Bremsung werden über Schalter/Kontakte oder Leistungshalbleiter die Ständerwicklungen des Motors kurzgeschlossen. Vorhandene kinetische Energie, die in den sich bewegenden Teilen des Motors gespeichert ist, wird dann über die Ständerwicklungswiderstände in Wärme umgesetzt.

Eine Variante einer solchen Ankerkurzschlussbremsung ist aus der europäischen Patentschrift EP 0 742 637 bekannt. Um bei elektrischen Antrieben im Fehlerfall eine Notbremsung herbeizuführen, wird dort in der Steuerung eine Möglichkeit zur Herstellung eines integrierten Ankerkurzschlusses vorgeschlagen, in dem eine Wechselrichterbrücke gesperrt wird, während die jeweils andere Wechselrichterbrücke durch getaktete Ansteuerung einen Kurzschluss der Phasen des elektrischen Antriebs herbeiführt. Durch gezielte Taktung, beispielsweise durch optimale Momentensteuerung über eine Kennlinie, lassen sich dabei Reaktionszeiten und Bremszeiten optimieren.

Aus der deutschen Patentschrift DE 100 59 173 C1 ist ein Verfahren zum Bremsen eines Motors bekannt, bei dem das Verfahren der Ankerkurzschlussbremsung mit dem Verfahren der Impulssperre von Halbleiterventilen im Fehlerfall besonders vorteilhaft kombiniert wird.

Aus der europäischen Patentschrift EP 0 553 370 A1 ist ganz prinzipiell eine feldorientierte Regelung bekannt.

Das in der Technik bekannte Verfahren des Ankerkurzschlusses besitzt den Nachteil, dass die erzielbare Bremsleistung von sich einstellendem Ankerstrom und dem ohmschen Ständerwiderstand des Motors abhängt. Ein kleiner Ankerstrom bzw. ein kleiner ohmscher Ständerwiderstand bedingen eine geringe Bremsleistung, was einen langen Halteweg bzw. eine lange Haltezeit bis zum Stillstand des Motors zur Folge hat.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein einfaches Verfahren zum schnellen Bremsen eines mittels eines Stromrichter gespeisten Motors zu schaffen.

Diese Aufgabe wird für das erfindungsgemäße Verfahren dadurch gelöst, dass bei Ausfall des für die feldorientierte Regelung notwendigen Orientierungswinkelsignals die Regelung des Stromrichters auf eine nicht-feldorientierte Regelung umgeschaltet wird, wobei gemessene Motorströme in Stromraumzeigerwerte transformiert werden, wobei diese in der nicht-feldorientierten Regelung mit einem Impedanzwert beaufschlagt werden und als Spannungsraumzeigerwerte an einen Steuersatz des Stromrichters übergeben werden.

Eine erste vorteilhafte Ausbildung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die gemessenen Motorströme in einem ständerfesten Koordinatensystem mit dem Impedanzwert beaufschlagt werden. Innerhalb eines solchen ständerfesten Koordinatensystems lassen sich die gemessenen Motorströme besonders einfach mit einem Impedanzwert beaufschlagen.

Eine weitere vorteilhafte Ausbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass der Impedanzwert als kapazitive Last in der Größenordnung des Betrags der Ankerinduktivität des Motors ausgelegt wird. Bei einer derartigen Auslegung des Impedanzwertes lässt sich eine besonders kurze Haltezeit bis zum Stillstand des Motors erreichen.

Eine weitere vorteilhafte Ausbildung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Real- und Imaginärteil des Impedanzwertes zur Begrenzung des Motorstroms und/oder zur Optimierung des Bremsverhaltens während des Bremsvorgangs angepasst werden kann. Durch eine mögliche Begrenzung des Motor stroms kann eine Beschädigung des Motors bzw. der Halbleiterventile des Stromrichters während des Bremsvorgangs vermieden werden. Eine Anpassung bzw. Veränderung des Real- und Imaginärteils des Impedanzwertes ermöglicht eine Optimierung des Bremsverhaltens, z.B. hinsichtlich einer besonders geringen Haltezeit bis zum Stillstand des Motors.

In diesem Zusammenhang erweist es sich als vorteilhaft, dass zur Optimierung des Bremsverhaltens, im Bereich kleinerer Motorgeschwindigkeiten, zum Bremsen ein Übergang von einem komplexen Impedanzwert Z auf einen rein realen Impedanzwert Z durchgeführt wird. Hierdurch kann eine besonders hohe Bremsleistung erreicht werden.

Eine weitere vorteilhafte Ausbildung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnete, dass der Motor ein Synchronmotor oder Linearmotor ist. Der Einsatz von Synchronmotoren oder Linearmotoren in elektrischen Antriebssystemen hat sich in der Technik bewährt.

Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich besonders vorteilhaft zum Bremsen eines Antriebsmotors bei Werkzeugmaschinen, Produktionsmaschinen oder Robotern einsetzen, da in diesen Anwendungsbereichen aus sicherheitstechnischen Gründen ein besonders schnelles Abbremsen des Antriebsmotors im Fehlerfall erwünscht ist.

Eine Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher erläutert. Dabei zeigen:
1 eine feldorientierte Regelung und
2 eine nicht-feldorientierte Regelung.
In 1 ist in Form eines Blockschaltbildes eine feldorientierte Regelung zur Regelung eines Synchronmotors 5 dargestellt. Anstatt des Synchronmotors 5 könnte auch ein Linear motor geregelt werden. Der Synchronmotor 5 wird mittels eines Stromrichters 4 durch die drei Stromphasen i₁, i₂ und i₃ gespeist. Die drei Motorströme i₁, i₂ und i₃ werden gemessen und einem 3-2-Wandler 7 zugeführt. Der 3-2-Wandler 7 berechnet aus den drei Motorströmen i₁, i₂ und i₃ gemäß der Beziehung
die zueinander rechtwinklig stehenden Ist-Stromkomponenten i_αist und i_βist als sogenannte Stromraumzeigerwerte innerhalb eines ruhenden ständerfesten Koordinatensystems. Die Ist-Stromkomponente i_αist sowie die Ist-Stromkomponente i_βist wird mit Hilfe eines Vektordrehers 8 durch die komplexe Beziehung (idist + jiqist) = (iαist + jiβist)·e–jψ e: Eulersche Zahl
j: Imaginäre Einheit (j² = –1)
in die momentenbildende Ist-Stromkomponente i_qist und die feldbildende Ist-Stromkomponente i_dist in einem mit dem Läuferfluss des Motors 5 umlaufenden rechtwinkligen Koordinatensystem überführt. Der hierfür notwendige Flusswinkel ψ wird dem Vektordreher 8 aus der Flusswinkelberechnung 9 zur Verfügung gestellt. Zur Berechnung des Flusswinkels ψ benötigt die Flusswinkelberechnung 9 ein Orientierungswinkelsignal von einem an den Motor 5 angeschlossenen Gebers 6.
In dem Ausführungsbeispiel gibt der Geber 6 als Orientierungswinkelsignal einen Rotorlagewinkel φ_r des Rotors des Synchronmotors 5 an die Flusswinkelberechnung 9 aus. Die Flusswinkelberechnung 9 berechnet aus dem Rotorlagewinkel φ_r des mechanischen Systems des Synchronmotors 5, unter Zuhilfenahme der Kenntnis des mechanischen und elektrischen Aufbaus des Synchronmotors 5, den Flusswinkel ψ des Läuferflusses des Synchronmotors 5.
Zur Regelung der Ist-Stromkomponenten i_distbzw. i_qist im drehenden Koordinatensystem wird die Differenz aus Soll-Stromkomponente i_dsoll und Ist-Stromkomponente i_dist einem PI-Regler 1 zugeführt und die Differenz aus Soll-Stromkomponente i_qsoll und Ist-Stromkomponente i_qist einem PI-Regler 2 zugeführt. Die Soll-Stromkomponenten i_dsoll und i_qsoll im drehenden Koordinatensystem können entweder direkt oder von überlagerten Regelkreisen vorgegeben werden. Der PI-Regler 1 gibt als Ausgangsgröße die feldbildende Soll-Spannungskomponente u_dsoll an einen Vektordreher 3 als erste Eingangsgröße weiter. Der PI-Regler 2 gibt als Ausgangsgröße die momentenbildende Soll-Spannungskomponente u_qsoll an den Vektordreher 3 als zweite Eingangsgröße weiter. Der Vektordreher 3 berechnet gemäß der Beziehung (uαsoll + juβsoll) = (udsoll + juqsoll)·ee: Eulersche Zahl
j: Imaginäre Einheit (j² = –1)
aus der Soll-Spannungskomponente u_dsoll und u_qsoll im umlaufenden Koordinatensystem sowie dem Flusswinkel ψ die Soll-Spannungskomponenten u_αsoll und u_βsoll als sogenannte Spannungsraumzeigerwerte im ruhenden Koordinatensystem. Die Soll-Spannungskomponenten u_αsoll und u_βsoll werden einem nicht in 1 dargestellten Steuersatz innerhalb des Stromrichters 4 zugeführt. Der Steuersatz berechnet aus den Soll-Spannungskomponenten u_αsoll und u_βsoll die für den Stromrichter 4 benötigten Zündwinkel bzw. Zündimpulse zur Ansteuerung der Ventile des Stromrichters.
Fällt bei einer solchen im Ausführungsbeispiel in 1 beispielhaft dargestellten feldorientierten Regelung der Geber 6 bzw. das Rotorlagewinkelsignal φ_r aus, dann kann kein Fluss winkel ψ mehr berechnet werden. Der feldorientierten Regelung fehlt somit die Orientierung auf das Drehfeld des Synchronmotors 5. Eine weitere Regelung des Synchronmotors 5, insbesondere eine Bremsung des Synchronmotors 5 ist mittels der feldorientierten Regelung somit nicht mehr möglich. Dies gilt nicht nur für die im Ausführungsbeispiel in 1 gezeigte feldorientierte Regelung sondern im Prinzip bei beliebigen feldorientierten Regelungen bei Ausfall des Orientierungswinkelsignals.
Hier nun setzt das erfindungsgemäße Verfahren an. Wenn von einer Geberüberwachung 12 gemäß 1 ein Geberausfall bzw. der Ausfall des Rotorlagewinkels φ_r detektiert wird, wird von der in 1 dargestellten feldorientierten Regelung auf die in 2 dargestellte nicht-feldorientierten Regelung umgeschaltet. Die Geberüberwachung 12 sendet hierzu bei erkanntem Geberausfall ein Umschaltsignal 14 an ein nicht dargestelltes übergeordnetes Reglersteuerungsmodul, das die Umschaltung der Regelung durchführt.
Der in 1 gestrichelt eingerahmte Bereich der Regelung wird durch einen Multiplizierer 10 und eine Impedanzsteuerung 11 gemäß 2 ersetzt.
In 2 ist in Form eines Blockschaltbildes eine nicht-feldorientierte Regelung dargestellt. In 2 werden die vom 3-2-Wandler 7 berechneten Ist-Stromkomponenten i_αsoll und i_βsoll im ruhenden Koordinatensystem einem Multiplizierer 10 zugeführt und dort mit einem komplexen Impedanzwert Z multipliziert. Der Impedanzwert Z wird von einer Impedanzsteuerung 11 vorgegeben. Der Multiplizierer 10 berechnet entsprechend der Beziehung (uαsoll und juβsoll) = ((z1iαist – z2iβist) + j(z1iβist + z2iαist)Z : z₁+ jz₂
j: Imaginäre Einheit (j² = –1)
die Soll-Spannungskomponenten u_αsoll und u_βsoll als sogenannte Spannungsraumzeigerwerte im ruhenden Koordinatensystem, die als Eingangsgrößen an einen, nicht näher dargestellten Steuersatz des Stromrichters 4 weitergeleitet werden.
Wie sich aus 2 leicht entnehmen lässt, benötigt die im Ausführungsbeispiel dargestellte, nicht-feldorientierte Regelung kein Orientierungswinkelsignal, wie z.B. den Rotorlagewinkel φr zur Regelung bzw. Steuerung des Synchronmotors 5. Aus Sicht des Synchronmotors 5 stellt der Stromrichter 4 eine Last dar, die eine Impedanz gemäß des am Multiplizierer 10 eingestellten Impedanzwertes Z aufweist.
Durch geeignete Wahl des Impedanzwertes Z lassen sich hohe Motorströme i₁, i₂ und i₃ erzeugen, die wesentlich höher als bei Kurzschluss der drei Phasen des Synchronmotors mittels der Maßnahme des Ankerkurzschluss sein können. Die in den beweglichen Teilen des Synchronmotors 5 gespeicherte kinetische Energie wird nun nicht nur wie beim Ankerkurzschluss durch die im Stromkreis befindlichen elektrischen Widerstände, z.B. den Ständerwiderstand, in Wärme umgesetzt, sondern es wird zusätzlich Wirkleistung vom Synchronmotor 5, der in diesem Fall in einen generatorischen Betrieb geht, zum Stromrichter 4 übertragen. Die kinetische Energie wird dem Synchronmotor 5 hierdurch besonders schnell entzogen, was einen besonders kurzen Bremsvorgang bzw. eine kurze Haltezeit zur Folge hat.
Wird der Impedanzwert Z als kapazitive Last in der Größenordnung des Betrags der Ankerinduktivität des Motors ausgelegt, ergibt sich ein besonders schneller Bremsvorgang bzw. kurze Haltezeit bis zum Stillstand des Motors.
Die Vorgabe des Impedanzwertes Z für den Multiplizierer 10 wird durch eine Impedanzsteuerung 11 erreicht. Im einfachsten Fall gibt die Impedanzsteuerung 11 einen voreingestellten komplexen Impedanzwert Z an den Multiplizierer 10 aus. Weitere Varianten dieses Verfahrens bzw. eine Optimierung des Bremsverhaltens lassen sich über die Nutzung der Freiheitsgrade Real- und Imaginärteil bzw, des daraus resultierenden Betrags und Winkels des Impedanzwertes Z ableiten. So kann z.B. über eine geeignete Wahl dieser beiden Größen ein anwachsen der Motorströme i₁, i₂ und i₃ über einen bestimmten Wert verhindert werden. Dies kann beispielsweise über eine Motorstromüberwachung und eine davon abhängige Stellung des Winkels des Impedanzwertes Z erreicht werden. Im Bereich kleinerer Motorgeschwindigkeiten ist ein Übergang von einem komplexen Impedanzwert Z auf einen rein realen Impedanzwert Z vorteilhaft, da hierdurch eine besonders hohe Bremsleistung erreicht werden kann.
Durch die Regelung des Stromrichters mittels des Impedanzwertes Z gemäß 2 lassen sich innerhalb physikalischen und technischer Grenzen die Motorströme nahezu beliebig in Betrag und Phase einstellen.
Die in 1 gezeigte Geberüberwachung 12 kann z.B. in Form einer Plausibilitätsüberprüfung realisiert werden. Wird z.B. von der Geberüberwachung 12 mittels eines an den Motor 5 angeschlossenen Rotationsgebers 13 registriert, dass sich der Rotor des Motors bewegt, der vom Geber 6 ausgegebene Rotorlagewinkel φ_r aber konstant bleibt, dann deutet dies auf einen Fehler im Geber 6 hin.
Alternativ kann aber auch z.B. der vom Geber 6 empfangene Signalpegel überwacht werden. Sinkt dieser z.B. aufgrund von Verschmutzungen unter einen bestimmten Wert, dann deutet dies ebenfalls auf einen Fehler im Geber 6 hin.
Anstelle des im Ausführungsbeispiel verwendeten Synchronmotors 5 können auch andere Motortypen wie z.B. Linearmotoren verwendet werden.
Selbstverständlich können die in 1 und 2 als diskrete Funktionsblöcke dargestellte Funktionen wie z.B. PI-Regler, Vektordreher, 3-2-Wandler und Multiplizierer auch integraler Bestandteil einer auf einem Mikroprozessorsystem realisierten Regelung sein.
Selbstverständlich können die Strom- und Spannungsraumzeigerwerte, nicht nur, wie im Ausführungsbeispiel dargestellt, unmittelbar in Form von zwei Vektorkoordinaten, sondern auch in Form von Betrag und Phase vorliegen bzw. von einen Funktionsblock an den nächsten übergeben werden.

Claims

Verfahren zum Bremsen eines mittels eines Stromrichters (4) gespeisten Motors (5), wobei der Stromrichter (4) mittels einer feldorientierten Regelung geregelt wird, dadurch gekennzeichnet , dass bei Ausfall des für die feldorientierte Regelung notwendigen Orientierungswinkelsignals (φ_r), die Regelung des Stromrichters (4) auf eine nicht-feldorientierte Regelung umgeschaltet wird, wobei gemessene Motorströme (i₁, i₂, i₃) in Stromraumzeigerwerte (i_αist, i_βist) transformiert werden, wobei diese in der nicht-feldorientierten Regelung mit einem Impedanzwert (Z) beaufschlagt werden und als Spannungsraumzeigerwerte (u_αsoll, u_βsoll) an einen Steuersatz des Stromrichters (4) übergeben werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromraumzeigerwerte (i_αist, i_βist) in einem ruhenden Koordinatensystem mit dem Impedanzwert (Z) beaufschlagt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Impedanzwert (Z) als kapazitive Last in der Größenordung des Betrags der Ankerinduktivität des Motors (5) ausgelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Real- und Imaginärteil des Impedanzwertes (Z) zur Begrenzung der Motorströme (i₁, i₂, i₃) und/oder zur Optimierung des Bremsverhaltens während des Bremsvorgangs angepasst werden kann.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Optimierung des Bremsverhaltens im Bereich kleinerer Motorgeschwindigkeiten zum Bremsen ein Übergang von einem komplexen Impedanzwert Z auf einen rein realen Impedanzwert Z durchgeführt wird.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Motor (5) ein Synchronmotor oder Linearmotor ist.
Verwendung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche zum Bremsen eines Antriebsmotors (5) bei Werkzeugmaschinen, Produktionsmaschinen oder Robotern.