DE10327599A1

DE10327599A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der Lage des Flussmaximums eines Synchronmotors

Info

Publication number: DE10327599A1
Application number: DE10327599A
Authority: DE
Inventors: Viktor Dr. Wesselak
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2003-06-18
Filing date: 2003-06-18
Publication date: 2005-01-20

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der Lage (phi¶F¶) des Flussmaximums (F) eines Synchronmotors (R, S), wobei der Synchronmotor (R, S) mit Spannungsimpulsen (U) mit gleicher Spannungszeitfläche ( INTEGRAL U*dt) beaufschlagt und deren Wirkungsrichtung durch Drehung eines Spannungsraumzeigers (U¶S¶) in definierten Gradabständen über eine volle Umdrehung variiert wird, wobei mit jedem Spannungsimpuls (U) jeweils ein Stromanstieg (di) des Motorenstroms (i) ermittelt wird, wobei durch digitale Filterung des Stromanstiegs (di) die Fourierkoeffizienten (a, b) der ersten Harmonischen des Stromanstiegs (di) ermittelt werden und solchermaßen die Lage (phi¶F¶) des Flussmaximums (F) bestimmt wird. Die Erfindung ermöglicht somit die Lage (phi¶F¶) des Flussmaximums (F) bei einem Synchronmotor zu erfassen, wobei die Lage (phi¶F¶) des Flussmaximums (F) des Synchronmotors auch dann noch erfasst werden kann, wenn der gemessene Stromanstieg (di) mit starken Störgrößen beaufschlagt ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bestimmung der Lage des Flussmaximums eines Synchronmotors, wobei dieser mit Spannungsimpulsen mit gleicher Spannungszeitfläche beaufschlagt und deren Wirkungsrichtung durch Drehung des Spannungsraumzeigers in definierten Gradabständen über eine volle Umdrehung variiert wird, wobei mit jedem Spannungsimpuls jeweils ein Stromanstieg des Motorstroms ermittelt wird.
Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung zur Bestimmung der Lage des Flussmaximums eines Synchronmotors, wobei eine Spannungsquelle und ein Zeitglied mit vorgebbarer Laufzeit zur Generierung von Spannungsimpulsen mit gleicher Spannungszeitfläche vorgesehen ist, wobei ein Zählglied zur Generierung eines Spannungsraumzeigers mit sich in definierten Gradabständen über eine volle Umdrehung bzw. 360 Grad veränderbarer Wirkungsrichtung vorgesehen ist, wobei ein Mittel zum Einprägen der Spannungsimpulse mit dem jeweiligen Spannungsraumzeiger in den Synchronmotor vorgesehen ist.
Bei der Regelung von permanenterregten oder fremdmagnetisierten Synchronmotoren hat sich das Verfahren der feldorientierten Regelung etabliert. Dabei wird der Motorstrom bezüglich des magnetischen Flusses im Synchronmotor vorgegeben. Da sich bei einem permanenterregten oder fremdmagnetisierten Rotor der magnetische Fluss mit der Rotorstellung verändert, kennt man die Lage des magnetischen Flusses nur dann, wenn die Rotorlage und zusätzlich eine eventuell vorhandene Verschiebung der Nulllage des Rotorlagemesssystem zur Lage des Flussmaximums bekannt sind.
In der Regel werden bei permanenterregten oder fremdmagnetisierten Synchronmotoren inkrementelle bzw. relative Rotor lagemeßsysteme eingesetzt. Ein solches inkrementelles Rotorlagemeßsystem kann beispielsweise auf optischer Basis, z.B. durch Einsatz eines Glasmaßstabes oder auf magnetischer Basis durch Einsatz eines Resolvers, basieren. Durch solche inkrementelle Rotorlagemeßsysteme wird nur eine relative Veränderung der Rotorlage erfasst. Somit besitzt ein inkrementelles Rotorlagemeßsystem keinen wirklichen Nullpunkt.
Nach jedem Einschalten muss daher – wie bereits erwähnt – eine eventuelle Verschiebung des Nullpunktes zwischen dem Rotorlagemeßsystem und dem magnetischen Flussmaximum des Motors bzw. der Absolutlage des Rotors abgeglichen werden, wenn der Synchronmotor feldorientiert geregelt betrieben werden soll.
Ein Fehler von mehr als 90° el. in der Orientierung führt bei einer feldorientierten Regelung bereits beim Synchronmotor zu einer Momentenumkehr und damit zu einer Mitkopplung im drehzahlgeregelten Betrieb. Der Synchronmotor beschleunigt dann bis hin zur Abschaltung oder gar Zerstörung. Doch auch bereits eine Abweichung von wenigen Grad elektrisch kann bei einer feldorientierten Regelung zu einem erheblich höheren Spannungsbedarf des Synchronmotors sowie zu Fehlern bei der Spannungsvorsteuerung führen. Dies trifft um so mehr zu, je größer die elektronische Motorfrequenz und der Fehlwinkel sind. Hinzu kommt, dass die Momentenausbeute bei gleichem Strom sinkt.
Bei bisher bekannten Lösungen wurde daher zusätzlich zu einem inkrementellen bzw. relativen Rotorlagemeßsystem ein absolutes Meßsystem eingesetzt, wobei die Nullmarke und das absolute Meßsystem auf das Flussmaximum des Motors justiert sein müssen. Eine eventuelle Nullpunktverschiebung wird dann abhängig von dem Absolutlagesystem bestimmt.
Die Justage muss jedoch mechanisch sehr genau sein, denn bereits ein Fehler von wenigen Grad elektrisch hat die bereits geschilderten Nachteile wie erhöhten Spannungsbedarf und ge ringere Momentesausbeute bei gleichem Strom zur Folge. Beispielsweise muss bei einer Polpaarzahl von vier und einer Genauigkeit von 4° el. die Justage auf 1° mechanisch genau erfolgen.
Das Meßsystem besitzt somit zusätzlich eine Absolutspur und eine Nullmarke, benötigt zusätzliche Messleitungen und ist somit aufwendiger und kostenintensiver als ein rein inkrementelles Rotorlagemeßsystem. Beim Einschalten der feldorientierten Regelung des Synchronmotors muss zunächst die Absolutspur ausgelesen werden und dabei eine eventuelle Nullpunktverschiebung bestimmt werden. Dies kann jedoch nur relativ grob im Rahmen der Auflösung der Absolutspur geschehen. Erst beim Überfahren der Nullmarke kennt man die Nullpunktverschiebung genau und kann eine Feinjustage durchführen. Ist die Polpaarzahl des Synchronmotors jedoch sehr groß, beispielsweise größer als 10, so kann die erforderliche Genauigkeit bei der Justage der Absolutspur in der Regel nicht mehr sicher erbracht werden, was zur Folge hat, dass derartige Synchronmotoren nur schlecht für eine feldorientierte Regelung eingesetzt werden können.
Bei einer zyklischen Vertauschung der Motorzuleitungen eines dreiphasigen Synchronmotors führt jedoch auch dieses bekannte Verfahren zu einer Fehlorientierung von 120°, so dass der Synchronmotor dann im drehzahlgeregelten Betrieb bis zur Abschaltung beschleunigt, was Gefahren für Mensch und Maschine nach sich ziehen kann.
Bei Synchronmotoren mit einer Hohlwelle, beispielsweise einem Direkt-Spindel-Antrieb an einer Drehmaschine, muss ein Hohlwellen-Rotorlagemeßsystem zum Einsatz kommen. Solche Meßsysteme sind jedoch sehr teuer. Das kostengünstigste derartige Meßsystem mit der erforderlichen Auflösung ist ein Zahnradgeber, welcher allerdings keine Absolutspur besitzt. Aus diesem Grund muss in der Regel auf ein sehr teueres optisches Hohlwellenmeßsystem ausgewichen werden, wenn eine Absolutspur erforderlich ist. Da Direkt-Antriebe in der Regel vom Anwender montiert werden, bestünde dann in der Praxis auch das Problem, dass die aufwendige und kostenintensive Justage der Absolutspur und der Nullmarke vom Anwender ausgeführt werden müssen. Die hierzu erforderlichen Spezialeinrichtungen sind auf Seiten der Anwender jedoch in der Regel nicht vorhanden.

Aus der europäischen Patentschrift EP 0 827 267 B1 ist ein Verfahren zur Bestimmung der Lage des Flussmaximums bei einer permanenterregten oder fremdmagnetisierten Synchronmaschine sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens bekannt. Dabei wird das magnetische Flussmaximum ermittelt in dem Spannungsimpulse mit konstanter Zeitfläche eingeprägt werden, welche einen Stromanstieg zur Folge haben, der von der Ankerinduktivität abhängig ist und über eine Kreuzkorrelationsfunktion ausgewertet wird. Dabei werden jeweils Spannungsimpulse mit gleicher Spannungszeitfläche eingeprägt, wobei deren Wirkungsrichtung durch Drehung des Spannungsraumzeigers im festen Gradabständen gedreht und auf einen Spannungsimpuls immer der Spannungsimpuls mit einem um 180° C Spannungsraumzeiger folgt. Dabei wird jeweils der Stromanstieg gemessen und mit dem zugehörigen Spannungsraumzeiger aufgezeichnet. Die Lage des Flussmaximums wird anhand des zu dem Maximum der Kreuzkollationsfunktion gehörenden Spannungsraumzeigers bestimmt.

Diese Form der Auswertung führt bei bestimmten Synchronmotoren wie z.B. bei Linearmotoren aber auch bei einigen rotatorischen Synchronmotoren zu erheblichen Problemen, da der Stromanstieg, der für die Bestimmung des Flussmaximums ausgewertet wird, bei vielen Synchronmotoren oft stark mit Störgrößen wie z.B. harmonischen Strömen überlagert ist. So führt z.B. der unsymmetrische Aufbau eines Linearmotors oft zu einer deutlichen zweiten Harmonischen im Stromanstieg, der die Bestimmung des Flussmaximums mittels einer Korrelationsanalyse stark verfälscht bzw. unmöglich macht. Im Extremfall kann das Maximum sogar um 180° C versetzt detektiert werden, was zu einer Mitkopplung im Regelkreis führen würde.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren sowie eine dazugehörige Vorrichtung zu schaffen, welche es ermöglicht, die Lage des Flussmaximums bei einem Synchronmotor zu erfassen, wobei die Lage des Flussmaximums des Synchronmotors auch dann noch erfasst werden kann, wenn der gemessene Stromanstieg mit starken Störgrößen beaufschlagt ist.

Diese Aufgabe wird für ein Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass durch digitale Filterung des Stromanstiegs die Fourierkoeffizienten der ersten Harmonischen des Stromanstiegs ermittelt werden, wobei aus den Fourierkoeffizienten die Phasenlage der ersten Harmonischen des Stromanstiegs ermittelt wird, und solchermaßen die Lage des Flussmaximums ermittelt wird.

Weiterhin wird diese Aufgabe für eine Vorrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass ein Messglied zur Ermittlung des durch die eingeprägten Spannungsimpulse bewirkten Stromanstiegs vorgesehen ist, wobei mittels eines Filtergliedes die Fourierkoeffizienten der ersten harmonischen des Stromanstiegs ermittelbar sind, wobei mittels eines Rechengliedes aus den Fourierkoeffizienten die Phasenlager der ersten Harmonischen des Stromanstiegs ermittelbar ist und solchermaßen die Lage des Flussmaximums bestimmbar ist.

Die Erfindung ermöglicht es, auf den Einsatz eines Absolutmesssystems und dessen Justage zu verzichten. Weiterhin können mit Hilfe der Erfindung vertauschte Motorleitungen eines mehrphasigen Synchronmotors erkannt werden und somit ein präventiver Schutz vor einer Zerstörung des Synchronmotors bei längerer Begrenzung des Drehzahlreglers oder beim Überschreiten der Maximaldrehzahl geschaffen werden.

Eine erste vorteilhafte Ausbildung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungszeitfläche der Spannungsimpulse so gewählt wird, dass der dadurch sich ergebende Motorenstrom eine signifikante Sättigung oder Entsättigung des Jochs gewährleistet. Hierdurch wird die zu wählende Spannungszeitfläche des einzubringenden Spannungsimpulses optimiert.

Ferner erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Spannungszeitfläche der Spannungsimpulse so gewählt wird, dass der dadurch sich ergebende Motorstrom eine signifikante Sättigung oder Entsättigung der Ständerzähne zwischen den Nuten gewährleistet. Das Verfahren wird dann bei einem minimalen Motorstrom durchgeführt.

Weiterhin hat es sich für das Verfahren als vorteilhaft erwiesen, wenn die Spannungsimpulse durch einen Stromrichter eingeprägt werden. Stromrichter sind in der Technik weit verbreitete Ansteuermittel für Synchronmotoren.

In diesem Zusammenhang hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn nach jedem eingeprägten Spannungsimpuls eine Impulssperre des Stromrichters durchgeführt wird, da dann der Motorstrom schnellstmöglich wieder auf Null abgebaut wird.

Eine weitere vorteilhafte Ausbildung des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass sofern eine Drehung des magnetisierten Rotors erfolgt, diese bei der Weiterdrehung des Spannungsraumzeigers berücksichtigt wird. Hierdurch wird die Messgenauigkeit erhöht und der Einfluss von störenden, durch die geschilderten Maßnahmen verursachte Drehung des Rotors eliminiert.

Ferner erweist es sich für die Erfindung von Vorteil, wenn auf einen Spannungsimpuls jeweils ein in Bezug auf den Spannungsraumzeiger ein gegenphasiger Spannungsimpuls folgt. Hierdurch wird erreicht, dass das Verfahren bei gebremstem als auch bei ungebremsten Motor durchführbar ist und das insbesondere bei einem ungebremsten Synchronmotor nur eine geringe Bewegung der Motorwelle erfolgt.

Ferner hat es sich als vorteilhaft erwiesen, dass die Bestimmung der Fourierkoeffizienten mittels komplexer Fouriertransformation des Stromanstiegs erfolgt. Eine Fouriertransformation, ist eine in der Technik weit verbreitetes Transformationsverfahren zur Bestimmung der Fourierkoeffizienten.

Ferner hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn zum Einprägen der Spannungsimpulse ein Stromrichter vorgesehen ist. Ein Stromrichter ist ein in der Technik weit verbreitetes Mittel zum Ansteuern von Synchronmotoren.

Ferner hat es sich als vorteilhaft erwiesen, dass mit Hilfe eines Zählgliedes aufeinanderfolgende jeweils gegenphasige Spannungsraumzeiger generierbar sind. Hierdurch wird erreicht, dass die Bestimmung der Lage des Flussmaximums sowohl bei gebremsten als auch bei ungebremsten Synchronmotoren durchführbar ist und dass insbesondere bei einem ungebremsten Synchronmotor nur eine geringe Bewegung der Motorwelle erfolgt.

Das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die erfindungsgemäße Vorrichtung eignen sich besonders gut zur Bestimmung der Motorlage eines Synchronmotors mit einem inkrementellen Motorlagemessgeber, wobei eine mögliche Verschiebung zwischen dem Nullpunkt eines inkrementellen Rotorlagemessgebers und der absoluten Motorlageposition mittels der bestimmten Lage des Flussmaximums korrigiert wird.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher erläutert. Dabei zeigen:
1 ein Blockschaltbild einer Vorrichtung zur Bestimmung der Lage des Flussmaximums und
2 einen Stromanstieg sowie den Verlauf der ersten Harmonischen des Stromanstiegs.
In der Darstellung gemäß der 1 ist ein Blockschaltbild einer Vorrichtung zur Bestimmung der Lage φ_F des Flussmaximums F eines permanenterregten Synchronmotors mit einem zweipoligen Rotor R und einem Ständer S gezeigt. Der Rotor R bewirkt durch seine Ausrichtung die Lage φ_F bzw. den Winkel φ_F des Flussmaximums F. Der in den Ständer S eingeprägte Spannungsraumzeiger U _S, mit der Lage φ_U bzw. dem Winkel φ_U, erzeugt einen in Form von parallel verlaufenden Pfeilen dargestellten Magnetfluss MF, wobei der Übersichtlichkeit halber nur ein Pfeil mit Bezugszeichen versehen ist. Dabei ist eine Spannungsquelle Q_U zur Erzeugung einer Ausgangsspannung U_A vorgesehen. Diese Spannung wird auf ein Zeitglied ZG mit variabler Laufzeit dt gegeben, so dass an dem Ausgang des Zeitgliedes Spannungsimpulse U mit konstanter Spannungszeitfläche ∫U·dt zur Verfügung stehen. Diese werden einem Umrichter UMR zugeführt, über den die Spannungsimpulse U mit konstanter Spannungszeitfläche ∫U·dt in den Synchronmotor eingeprägt werden.
Die vorliegende Erfindung macht sich dabei die Erkenntnis zu Nutze, dass die Ankerinduktivität L_A des Synchronmotors mit der magnetischen Sättigung kleiner wird. Häufig wird der magnetische Kreis des Synchronmotors so ausgelegt, dass das Eisen kurz vor der Sättigung steht oder bereits gesättigt ist. Selbst wenn das Joch des Synchronmotors nicht gesättigt ist, so sind doch in der Regel die Zähne des Ständers S zwischen den Nuten, die der Übersichtlichkeit halber in 1 nicht dargestellt sind, aufgrund deren geringeren Eisenquerschnitts gesättigt. Ein Strom, der eine magnetische Wirkung in Richtung des Magnetflusses MF hat, treibt das Eisen weiter in die Sättigung. Ein solcher Strom wird als Strom in Flussrichtung bezeichnet. Ein Strom entgegen der Flussrichtung wirkt hinge gen entsättigend. Prägt man nun einen Spannungsimpuls mit der Spannungszeitfläche ∫U·dt in den Synchronmotor ein, so ergibt sich nach folgender Berechnungsvorschrift di = U·dt/LA (1)ein Stromanstieg di, welcher von der Ankerinduktivität L_A abhängig ist.
Für eine Bestimmung der Lage φ_F des Flussmaximums F werden daher nun Spannungsimpulse mit gleicher Spannungszeitfläche ∫U·dt an den Synchronmotor ausgegeben, wobei die Wirkungsrichtung dieser Spannungsimpulse durch Drehung des Raumzeigers in festen Gradabständen über 360° elektrisch gedreht wird. Dazu ist ein Zählglied Z vorgesehen, welches an seinem Ausgang mit jedem Zählimpuls t einen Spannungsraumzeiger U _S bereitstellt, der in einem fest vorgebbaren Gradabstand um eine Einheit über 360° weitergedreht ist. Legt man einen Gradabstand in ganzen Gradwerten zugrunde, so wird der Spannungsraumzeiger U _S beispielsweise ausgehend von 0° mit jedem weiteren Spannungsimpuls um 1° verändert.
Handelt es sich um einen ungebremsten Synchronmotor, d.h. der Rotor kann durch die eingeprägten Spannungsimpulse gedreht werden, so wird vorteilhaft auf einen Spannungsimpuls ein Spannungsimpuls mit einem um 180° verdrehten, gegenphasigen Spannungsraumzeiger U _S generiert. Dies hat zur Folge, dass die durch den Strom hervorgerufene Drehung des Rotors R des Synchronmotors in die eine Richtung durch eine etwa gleich große Drehung in die entgegengesetzte Richtung kompensiert wird und so die absolute Drehung bei einem ungebremsten Motor minimiert wird.
In Bezug auf das bereits erwähnte Zählglied Z bedeutet dies, dass der am Ausgang bereitgestellten Spannungsraumzeiger U _S in festen Gradabständen über 360° läuft, dabei jedoch aufeinanderfolgende Werte jeweils um 180° verdreht sind. Um den Ro tor R weiter zu stabilisieren, wird nach jedem um 180° verdrehten Spannungsraumzeiger um weitere 90° versetzt. Anhand eines Beispiels bedeutet dies, dass zuerst ein Spannungsraumzeiger U _S mit einer Lage φ_U von 0° dann von 180°, dann von 90°, dann von 270°, dann von 1°, dann von 181°, dann von 91°, dann von 271° usw. ausgegeben wird. Der Spannungsraumzeiger U _S wird an den Umrichter UMR weitergeleitet.
Bei jedem Spannungsimpuls U mit konstanter Spannungszeitfläche wird der Stromanstieg di gemessen und mit der zugehörigen Lage φ_U des Spannungsraumzeigers U _S aufgezeichnet.
Hierzu wird der gemessene Motorenstrom i und der am Ausgang des Stellglieds Z anstehende jeweilige Spannungsraumzeiger U _S an ein Messglied M geführt Im Messglied M wird nun der Stromanstieg di in Abhängigkeit der zugehörigen Lage φ_U des Spannungsraumzeigers U _S gemessen und aufgezeichnet. Zu Beginn des Spannungsimpulses hat dabei der Motorenstrom i einen Wert von Null und steigt dann gemäß Beziehung (1) nach dem Zeitraum dt auf einen Maximalwert an, der als Stromanstieg di aufzeichnet wird.
Anschließend wird der Stromanstieg di einem Filterglied F zugeführt. Im Filterglied F wird mittels digitaler Filterung die Fourierkoeffizienten a und b der ersten Harmonischen di₁ des Stromanstiegs di ermittelt, wobei a der Fourierkoeffizient des Realteils und b der Fourierkoeffizient des Imaginärteils darstellt. Das Filterfenster besitzt dabei die Länge eines elektrischen 360°-Umlaufs des Rotors, d.h. pro elektrischen Umlauf des Rotors werden die Fourierkoeffizienten a und b einmal ermittelt.
Für die digitale Filterung zur Bestimmung der Fourierkoeffizienten a und b sind zahlreiche bekannte Möglichkeiten bekannt. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird die digitale Filterung zur Bestimmung des Fourierkoeffizienten in Form einer komplexen Fouriertransformation, welche in der Technik allgemein bekannt ist, durchgeführt. Es sei an dieser Stelle angemerkt das selbstverständlich auch andere Fensterlängen für die digitale Filterung bzw. die Fouriertransformation verwendet werden können.
Die erste Harmonische di₁ des Stromanstieg di liegt dann im Zeitbereich in der Form di1(φU) = a·sin(φU) + b·cos(φU) (2)Anschließend werden die Fourierkoeffizienten a und b einem Rechenglied B zugeführt, das mittels der Beziehung φF = arctan(ab ) (3)die Lage φ_F Flussmaximum F berechnet und ausgibt. Der Arcustangens wird dabei durch Auswertung der Vorzeichen von a und b in allen vier Quadranten richtig bestimmt.
Der Wert der solchermaßen bestimmten Lage φ_F des Flussmaximums F stimmt mit der Lage des Rotorwinkels überein, so dass eine mögliche Verschiebung zwischen dem Nullpunkt eines inkrementellen Rotorlagemessgebers und der absoluten Rotorlageposition mittels der bestimmten Lage φ_F des Flussmaximums F korrigiert werden kann.
In 2 ist in Form eines Schaubildes beispielhaft der Verlauf eines gemessenen Stromanstiegs di sowie der zeitliche Verlauf der gefilterten ersten Harmonischen di₁ des Stromanstiegs di im Falle eines als Linearmotor ausgebildeten Synchronmotors dargestellt. Die tatsächliche Rotorlage ist in dem Ausführungsbeispiel bei 120°. Die Unsymmetrie des Linearmotors verdeckt den Effekt der Sättigung, der durch die eingezeichnete erste Harmonische wieder richtig angegeben wird. Eine alleinige Maximumbetrachtung oder eine Korrelationsbetrachtung wie sie in der EP 0 827 267 B1 vorgeschlagen wird, würde deutlich ungenauer oder falsche Werte für die Lage φ_F des Flussmaximums F liefern.
Im Gegensatz hierzu liefert die Auswertung der ersten Harmonischen auch für einen solchen Fall einer mit starken Störsignalen beaufschlagten Stromanstiegs di noch genaue Werte. In dem Ausführungsbeispiel besteht die Störgröße hauptsächlich aus einer zweiten Harmonischen.
Bei dem Verfahren werden dabei nach jedem Spannungsimpuls U die Stromrichterimpulse gesperrt, um den Motorstrom i schnellstmöglich wieder auf Null abzubauen. Die Spannungszeitfläche ∫U·dt des Zeitgliedes ZG wird so gewählt, dass der Motorstrom i ausreicht, eine signifikante Sättigung bzw. Entsättigung in dem Synchronmotor zu erzielen. Selbst wenn das Joch des Synchronmotors nicht gesättigt ist, so sollte die Spannungszeitfläche ∫U·dt mindestens so gewählt, dass der Strom ausreicht, die Ständerzähne zwischen den Nuten zu sättigen bzw. zu entsättigen.
Im Bereich des Flussmaximums F führt ein Strom in Flussrichtung zu einer Eisensättigung und damit zu einer geringeren Ankerinduktivität L_A. Dies hat, verglichen mit den Bereichen der Entsättigung, einen größeren Maximalstrom zur Folge. Somit wird das Flussmaximum F in dem Bereich gesucht, in dem der Stromanstieg di seine größten Werte erreicht. Dies geschieht, wie bereits erwähnt, mit Hilfe des Messgliedes M und dem darauffolgenden Filterglied F und dem Rechenglied B.
Mit Kenntnis der Lage φ_F des Flussmaximums F lässt sich somit auch eine mögliche Verschiebung zwischen dem Nullpunkt des inkrementellen Messgebers eines permanenterregten Synchronmotor und dem Flussmaximum F des Motors bestimmen, da der Wert der Lage φ_F des Flussmaximums F mit der Lage des Rotorwinkels überein stimmt und so die Rotorlage auch bei einem Einsatz eines ausschließlich inkrementellen Messgebers ermitteln werden kann. Damit ist eine feldorientierte Regelung des perma nenterregten Synchronmotors mit ausreichender Genauigkeit möglich. Das bedeutet, dass der Spannungsbedarf des Synchronmotors möglichst gering ist und die Momentenausbeute entsprechend hoch ausfällt.
Idealerweise sollte dabei das Joch des Synchronmotors signifikant gesättigt bzw. endsättigt sein, zumindest sollte aber der Motorstrom di so groß gewählt werden, dass eine Sättigung oder Endsättigung der Ständerzähne zwischen den Nuten des Synchronmotors gewährleistet ist.
Als Richtwert kann die Spannungszeitfläche ∫U·dt etwa so gewählt werden, dass sich als Endwert des Stromanstiegs di etwa die Hälfte des zulässigen Motormaximalstromes ergibt. Selbstverständlich sind jedoch auch andere Spannungszeitflächen ∫U·dt verwendbar, je nachdem welcher Typ von Synchronmotor zum Einsatz gelangt bzw. wie der jeweilige Motor ausgelegt ist.
Die vorangehende Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind zum Zwecke der Veranschaulichung angegeben. Die Erfindung ist nicht auf die genaue angegebene Ausführungsform beschränkt, sondern es sind zahlreiche Modifikationen und Änderungen im Rahmen der vorstehend angegebenen technischen Lehre möglich. Eine bevorzugte Ausführungsform wurde gewählt und beschrieben, um die prinzipiellen Details der Erfindung und praktische Anwendungen zu verdeutlichen, um den Fachmann in die Lage zu versetzen, die Erfindung zu realisieren.
In dem Ausführungsbeispiel besitzt der Rotor zwei magnetische Pole. Selbstverständlich kann das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die erfindungsgemäße Vorrichtung auch bei einer vier oder mehrpoligen Synchronmaschine angewendet bzw. vorgesehen werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die erfindungsgemäße Vorrichtung kann dabei sowohl bei permanenterregten als auch bei fremdmagnetisierten Synchronmotoren angewendet bzw. vorgesehen werden.
Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass Synchronmotoren sowohl lineare als auch rotatorische Bauformen aufweisen können.

Claims

Verfahren zur Bestimmung der Lage (φ_F) des Flussmaximums (F) eines Synchronmotors (R,S), wobei dieser mit Spannungsimpulsen (U) mit gleicher Spannungszeitfläche (∫U·dt) beaufschlagt und deren Wirkungsrichtung durch Drehung eines Spannungsraumzeigers (U _S) in definierten Gradabständen über eine volle Umdrehung variiert wird, wobei mit jedem Spannungsimpuls (U) jeweils ein Stromanstieg (di) des Motorenstroms (i) ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass durch digitale Filterung des Stromanstiegs (di) die Fourierkoeffizienten (a, b) der ersten Harmonischen des Stromanstiegs (di) ermittelt werden, wobei aus den Fourierkoeffizienten (a, b) die Phasenlage (φ_F) der ersten Harmonischen (di₁) des Stromanstiegs (di) ermittelt wird und solchermaßen die Lage (φ_F) des Flussmaximums (F) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungszeitfläche (∫U·dt) der Spannungsimpulse (U) so gewählt wird, dass der dadurch sich ergebende Motorenstrom (i) eine signifikante Sättigung oder Entsättigung des Jochs gewährleistet.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungszeitfläche (∫U·dt) der Spannungsimpulse (U) so gewählt wird, dass der dadurch sich ergebende Motorenstrom (i) eine signifikante Sättigung oder Entsättigung der Ständerzähne zwischen den Nuten gewährleistet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsimpulse (U) durch einen Stromrichter eingeprägt werden.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass nach jedem eingeprägten Spannungsim puls (U) eine Impulssperre des Stromrichters durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sofern eine Drehung des magnetisierten Rotors erfolgt, diese bei der Weiterdrehung des Spannungsraumzeigers (U _S) berücksichtigt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf einen Spannungsimpuls (U) jeweils ein im Bezug auf den Spannungsraumzeiger (U _S) ein gegenphasiger Spannungsimpuls (U) folgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung der Fourierkoeffizienten (a, b) mittels komplexer Fouriertransformation des Stromanstiegs (di) erfolgt.
Vorrichtung zur Bestimmung der Lage (φ_F) des Flussmaximums (F) eines Synchronmotors, wobei eine Spannungsquelle (Q_U) und ein Zeitglied (dt) mit vorgebbarer Laufzeit zur Generierung von Spannungsimpulsen (U) mit gleicher Spannungszeitfläche (∫U·dt) vorgesehen ist, wobei ein Zählglied (Z) zur Generierung eines Spannungsraumzeigers (U _S) mit sich in definierten Gradabständen über eine volle Umdrehung bzw. 360 Grad verändernder Wirkungsrichtung vorgesehen ist, wobei ein Mittel (UMR) zum Einprägen der Spannungsimpulse (U) mit dem jeweiligen Spannungsraumzeiger (U _S) in den Synchronmotor vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Messglied (M) zur Ermittlung des durch die eingeprägten Spannungsimpulse bewirkten Stromanstiegs (di) vorgesehen ist, wobei mittels eines Filtergliedes (F) die Fourierkoeffizienten (a, b) der ersten Harmonischen des Stromanstiegs (di) ermittelbar sind, wobei mittels eines Rechengliedes (B) aus den Fourierkoeffizieten (a, b) die Phasenlage (φ_F) der ersten Harmonischen (di₁) des Stromanstiegs (di) ermittelbar ist und solchermaßen die Lage (φ_F) des Flussmaximums (F) bestimmbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass als Mittel zum Einprägen der Spannungsimpulse (U) ein Stromrichter (UMR) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass mit Hilfe eines Zählglieds (Z) aufeinanderfolgende jeweils gegenphasige Spannungsraumzeiger (U _S) generierbar sind.
Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 oder 8 zur Bestimmung der Rotorlage eines permanenterregten oder fremdmagnetisierte Synchronmotors mit einem inkrementellen Rotorlagemessgeber, wobei eine mögliche Verschiebung zwischen dem Nullpunkt eines inkrementellen Rotorlagemessgebers und der absoluten Rotorlageposition mittels der bestimmten Lage (φ_F) des Flussmaximums (F) korrigiert wird.
Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9, 10 oder 11 zur Bestimmung der Rotorlage eines permanenterregten oder fremdmagnetisierte Synchronmotors mit einem inkrementellen Rotorlagemessgeber, wobei eine mögliche Verschiebung zwischen dem Nullpunkt eines inkrementellen Rotorlagemessgebers und der absoluten Rotorlageposition mittels der bestimmten Lage (φ_F) des Flussmaximums (F) korrigiert wird.