DE10336068B4

DE10336068B4 - Verfahren zur gesteuerten Einprägung eines Ständerstrom- und eines Drehmoment-Sollwertes für eine stromrichtergespeiste Drehfeldmaschine

Info

Publication number: DE10336068B4
Application number: DE10336068A
Authority: DE
Inventors: Frank Dr. Hoffmann; Franz Sperr; Georg Dr. Stanke
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2003-08-06
Filing date: 2003-08-06
Publication date: 2006-04-06
Anticipated expiration: 2023-08-07
Also published as: PL1652289T3; CN1833355A; EP1652289B1; US7746039B2; JP4238267B2; DE10336068A1; ATE522977T1; CN100449934C; WO2005018086A1; ES2369503T3; EP1652289A1; JP2007501597A; US20080136380A1

Abstract

Verfahren zur gesteuerten Einprägung eines Ständerstrom-Sollwertes (I _soll) und eines Drehmoment-Sollwertes (M_soll) für eine pulswechselrichtergespeiste Drehfeldmaschine (4), wobei ein Sollwert für eine feldbildende Stromkomponente (I_Sdsoll) des Ständerstrom-Sollwertes (I _Ssoll) in Abhängigkeit eines vorbestimmten Rotorfluss-Sollwertes (Ψ_Rsoll) und eines ermittelten Rotorfluss-Istwertes (Ψ_R) und ein Sollwert für eine drehmomentbildende Stromkomponente (I_Sqsoll) des Ständerstrom-Sollwertes (I _Ssoll) in Abhängigkeit eines vorbestimmten Drehmoment-Sollwertes (M_soll), des ermittelten Rotorfluss-Istwertes (Ψ_R) und einer ermittelten drehmomentbildenden Stromkomponente (I_sq) eines gemessenen Ständerstromes (I _S) berechnet werden, wobei mit einem Ständerkreisfrequenz-Istwert (ω_S), den Parametern frequenzabhängige Streuinduktivität (L_σ) und Ständerwiderstand (R_S) der Ständermasche ein Integral der Ständerspannung als Stellgröße berechnet wird, aus dem eine aus off-line optimierten Pulsmustern ausgewählte Sollflussbahnkurve abgeleitet wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur gesteuerten Einprägung eines Ständerstrom-Sollwertes und einen Drehmoment-Sollwertes für eine pulswechselrichtergespeiste Drehfeldmaschine.
Zur Speisung von Drehfeldmaschinen, deren Moment sich in einem weiten Drehzahlbereich hochdynamisch auf gewünschte Werte einstellen lässt, werden meist Pulswechselrichter mit konstanter Eingangsspannung eingesetzt, häufig in Verbindung mit einem feldorientierten Regelungsverfahren. Solch ein Antriebssystem genügt normalerweise auch den höchsten technischen Ansprüchen an die Regelgüte. Unter der Voraussetzung von in jeder gewünschten Weise einprägbaren Klemmenströmen können im Prinzip der Magnetfluss und das Drehmoment einer Drehfeldmaschine ständig auf gewünschte Werte eingestellt werden, allerdings nur dann, wenn alle elektromagnetischen Systemparameter eines hinreichend genauen Beschreibungsmodells der Maschine bekannt sind. Mit Hilfe eines Signalverarbeitungssystems können dann – ausgehend von den Messgrößen der Klemmenströme und der Drehzahl – in Abhängigkeit von einer Sollgröße, z.B. für das Drehmoment, fortlaufend die zugehörigen Klemmenspannungen bestimmt werden. Bei besonders hohen dynamischen Anforderungen an die Regelung der Drehfeldmaschine muss die Pulsfrequenz ebenfalls groß gemacht werden. Dies wirkt sich ungünstig auf den Wirkungsgrad und die Kosten des Wechselrichters aus.
Traktionsstromrichter für Schienenfahrzeuge erlauben wegen der hohen Leistungsdichte und Effizienzanforderungen keine hohe Schaltfrequenz. Beispielsweise liegt die Schaltfrequenz im Spannungsstellbereich nur im Bereich von 300Hz – 800 Hz bei Lokomotiven, Triebzügen und schweren Nahverkehrszügen und 800Hz – 2kHz im leichten Nahverkehr. Daneben muss die verfügbare Zwischenkreisspannung optimal ausgenutzt werden, d.h., aus regelungstechnischen Gründen darf keine Spannungsreserve gefordert werden. Zur Vermeidung von unzulässigen Netzrückwirkungen muss das stationäre Oberschwingungsspektrum definiert und beeinflussbar sein. Dies erfordert zusammen mit der beschränkten Schaltfrequenz und maximaler Aussteuerbarkeit synchrone Taktverfahren für den Pulswechselrichter.
Die dynamischen Anforderungen an Traktionsumrichter sind ebenfalls hoch. Sowohl das Störverhalten, beispielsweise bei Fahrleitungsspannungssprüngen, als auch das Führungsverhalten, beispielsweise die gewünschte hohe Drehmomentdynamik, für die Beherrschung von Gleit- und Schleudervorgängen, sowie von mechanischen Antriebsschwingungen, muss gegenüber normalen stationären Antrieben hochdynamisch sein.
Darüber hinaus muss die projektierte maximale Strombelastung des Umrichters genau eingehalten werden, um eine Überdimensionierung des Leistungsteils zu vermeiden. Auch bei Stör- und Führungsgrößenänderungen muss der vorgegebene Strom durch das Regelverfahren eingeprägt werden können.
Deshalb ist ein Regelverfahren mit Einprägung des Ständerstromes erforderlich. Dieses ermöglicht zugleich optimales stationäres und dynamisches Verhalten für die Vorgabe des Drehmomentes.
Eine genaue und hochdynamische Regelung des Ständerstroms direkt scheiterte bisher an den durch die Taktung verursachten erheblichen Oberschwingungen und den für Oberschwingungen stark nichtlinearen Maschinenparametern (Streuinduktivität und Hauptinduktivität).

Aus der Veröffentlichung "Die stromrichternahe Antriebsregelung des Steuergerätes für Bahnautomatisierungssysteme SIBAS 32", abgedruckt in der DE-Zeitschrift "eb – Elektrische Bahnen", Band 90 (1992), Heft 11, Seiten 344 bis 350, ist eine stromrichternahe Antriebsregelung für Asynchronmaschinen nach dem Verfahren der Feldorientierung mit den wesentlichen Funktionen Messwerterfassung, Flussmodell, Regelstruktur sowie Steuersatz bekannt.

Für die Antriebsregelung nach dem bewährten Verfahren der Feldorientierung ist die Erfassung von analogen Messgrößen erforderlich. Gemessen werden zwei Maschinenströme und die Eingangsspannung des Pulswechselrichters auch Zwischenkreisspannung genannt. In einer Variante werden auch zwei Leiterspannungen gemessen. Als weitere Messgröße wird die Motordrehzahl erfasst. Speist ein Wechselrichter zwei parallel geschaltete Fahrmotoren, so werden beide Motordrehzahlen erfasst und für die Regelung der arithmetische Mittelwert benutzt.

Grundlage der feldorientierten Regelung ist die Kenntnis des Betrages und der Winkellage des Rotorflusses. Da diese Größen nicht direkt messbar sind, werden im allgemeinen Rechenmodelle eingesetzt, welche die innere Struktur der Asynchronmaschine nachbilden. Zur Bestimmung des Rotorflusses aus den gemessenen Istwerten Spannung, Strom- und Drehzahl dient ein Flussmodell. Es besteht aus zwei bekannten Teilmodellen der Asynchronmaschine nämlich dem Spannungsmodell und dem Strommodell. Bei kleinen Drehzahlen überwiegt der Einfluss des Strommodells, wogegen bei größeren der des Spannungsmodells überwiegt. Die verwendete Struktur vereinigt damit die Vorteile beider Teilmodelle und kann als ein vom Strommodell geführtes Spannungsmodell aufgefasst werden. Das Strommodell enthält den Parameter Rotorzeitkonstante. Während des Betriebes ändert sich der Rotorwiderstand der Maschine stark mit der Rotortemperatur. Die Kenntnisse des aktuellen Rotorwiderstandes ist demnach für ein genaues Arbeiten des Strommodells erforderlich.

Die zentrale Aufgabe des Signalprozessorsystems liegt in der Ansteuerung des Pulswechselrichters, so dass der Fahrmotor den geforderten Sollwerten folgt. Die beiden Leiterspannungen sowie die drei Maschinenströme werden in Koordinatenwandlern in zwei orthogonale Komponenten umgerechnet. Mit dem Flusswinkel werden nun die beiden orthogonalen Stromkomponenten vom statorfesten Koordinatensystem in ein mit dem Rotorflussraumzeiger umlaufendes System transformiert, also die Feldorientierung der Stromkomponenten vorgenommen. Nach einer Filterung liegen dann die Istwerte der feldbildenden und der momentenbildenden Stromkomponente vor. In einem stationären Betriebspunkt sind diese Stromkomponenten Gleichgrößen.

Um nun aus den Führungsgrößen Sollfluss und Sollmoment die Regelungsausgangsgrößen zu ermitteln, wird üblicherweise die inverse Struktur der Asynchronmaschine in einer sogenannten Entkopplungsschaltung nachgebildet. Sie berechnet aus dem Flusssollwert, dem der Magnetisierungskennlinien entnommenen Magnetisierungsstromsollwert, dem Wirkstromsollwert und der Winkelgeschwindigkeit des Rotorflusses die benötigten Spannungskomponenten. Zur Stabilisierung werden zwei Stromregler für die feldbildende und die momentenbildende Stromkomponente. zu den Ausgängen der Entkopplung addiert.

Die Anpassung der Regelung an die aktuelle Zwischenkreisspannung wird im Steuersatz vorgenommen. Aus der Sollspannung und dem Istwert der Zwischenkreisspannung wird der Aussteuergrad für den Pulsbreitenmodulator berechnet. Es ist die Aufgabe des Steuersatzes durch abwechselndes Umschalten der drei Wechselrichterzweigpaare am Motor die geforderte, in Frequenz und Amplitude einstellbare Spannungsgrundschwingung zu erzeugen.

Die Schaltzeiten werden je nach Betriebszustand nach zwei unterschiedlichen Modulationsverfahren berechnet. Bei kleinen Frequenzen und Spannungen im Bereich des Anfahrens und kleiner Geschwindigkeit wird asynchrone sinusförmige Modulation verwendet. Da hier viele Umschaltungen auf eine Periode der Grundfrequenz kommen, müssen die Schaltzeiger und die dazugehörigen Schaltwinkel on-line vom Prozessor bestimmt werden. Erreicht das Verhältnis von Schalt- zu Grundfrequenz, die sogenannte Pulszahl, einen Wert von etwa 10 bis 8, muss der Wechselrichter synchron zur Grundfrequenz getaktet werden. Mit steigender Grundfrequenz muss infolge der begrenzten Schaltfrequenz des Wechselrichters die Pulszahl stufenweise verkleinert werden. Hier werden off-live optimierte Pulsmuster verwendet. Wichtigstes Optimierungskriterium ist der Effektivwert des Oberschwingungsstromes, da dieser hauptsächlich die zusätzlichen Verluste im Motor durch die Umrichterspeisung verursacht.

Als zweiter Schritt nach der Optimierung ist deshalb die Pulsmusterauswahl durchzuführen. Dabei wird für die Auswahl des geeigneten Pulssystems für den Prozessor ein Kennfeld erstellt, in dem für alle möglichen diskreten Werte von Grundfrequenz und Aussteuergrad das am besten geeignete Pulsmuster eingetragen ist, das die Randbedingung maximale Schaltfrequenz und Einhaltung der minimalen Pulsbreite sowie des maximalen Stromspitzenwertes erfüllt. Die Pulsmusterauswahlebene sowie die für jedes Pulssystem und jeden Aussteuergrad offline optimierten Pulswinkel sind in der Signalprozessoreinheit in Tabellenform gespeichert. Im Programmmodulsteuersatz werden zuerst aus der Auswahlebene die Modulationsart und das Pulssystem bestimmt, das zudem von der Regelung geforderten Betriebspunkt gehört. Im Bereich der optimierten Muster sind aus den für den betreffenden Aussteuergrad gespeicherten Schaltwinkeln die Schaltzeiten in Abhängigkeit der momentanen Statorfrequenz zu berechnen. Bei Pulssystemwechseln müssen die Zeitpunkte so gewählt werden, dass keine Ausgleichsvorgänge oder unerwünschten Stromspitzen auftreten.

Mit diesem sogenannten Spannungssteuersatz kann die Stellgröße Spannung nur als Grundschwingung in Betrag und Winkel vorgegeben werden, die Momentanwerte der übrigen elektrischen Größen sind dann durch das Pulsmuster vorgegeben und nicht mehr on-line zu beeinflussen. Bei zu hoher Dynamik der Stellgröße treten Ausgleichsvorgänge auf, die zu starken Drehmomentschwingungen führen.

In der Veröffentlichung "Direkte Selbstregelung (DSR) für hochdynamische Drehfeldantriebe mit Stromrichterspeisung" abgedruckt in der DE-Zeitschrift "etzArchiv", Band 7 (1985), Heft 7, Seiten 211 bis 218, wird eine direkte Selbstregelung einer stromrichtergespeisten Asynchronmaschine beschrieben, die ohne Pulsbreitenmodulation arbeitet, wenig parameterempfindlich ist und außerdem sehr gute dynamische Eigenschaften aufweist. Wenn eine Drehfeldmaschine über einen dreisträngigen Wechselrichter bei konstanter Eingangspannung gespeist wird, kann der Raumzeiger der Ständerspannung nur sieben diskrete Werte annehmen. Vernachlässigt man die im Feldschwächbereich in der Regel gegenüber der Ständerspannung kleine Spannung, die an den Kupferwiderständen der Ständerwicklungen abfällt, so bestimmt der jeweilige Augenblickswert des Spannungsraumzeigers eindeutig die Änderung der augenblicklichen Lage des Raumzeigers für den Gesamtfluss hinsichtlich Geschwindigkeit und Richtung. Bei stationärer Grundfrequenztaktung durchläuft die Spitze des Flussraumzeigers deshalb ein gleichseitiges Sechseck mit konstanter Bahngeschwindigkeit und geringfügig pulsierender Winkelgeschwindigkeit.

Bei Grundfrequenztaktung besteht die einzige Möglichkeit zur Beeinflussung des Drehmoments der Asynchronmaschine darin, die Zeitabstände zwischen den Umschaltungen des Spannungsraumzeigers zu steuern. Vernachlässigt man die stromproportionalen Spannungen am Kupferwiderstand der Ständerwicklungen, kann bei einem dreisträngigen Wechselrichter mit konstanter Eingangsgleichspannung die Bahngeschwindigkeit sehr einfach auf den Wert Null verringert werden, nämlich durch Einschaltung des siebten Maschinenspannungsraumzeigers, dessen Betrag den Wert. Null hat. Über ein Pulsspiel bestehend aus einen ersten Teilintervall mit unverminderter Bahngeschwindigkeit des Flussraumzeigers und einem zweiten Intervall mit gegenüber den Ständerachsen stillstehenden Flussraumzeigers, kann durch die Wahl der Dauer beider Teilintervalle bekanntlich jeder beliebige Zwischenwert der für das Pulsspiel gemittelten Bahngeschwindigkeit eingestellt werden.

Die Signalverarbeitung für die direkte Flussselbstregelung weist einen Fluss- und einen Momentenvergleicher auf. Aus den gemessenen Spannungswerten vermindert um einen Spannungsabfall an den Kupferwiderständen der Ständerwicklungen der Asynchronmaschine wird mittels eines Integrators orthogonale Komponenten des Ständerflusses generiert, die in Flussgrößen einer jeden Ständerwicklungsachse der Asynchronmaschine gewandelt werden. Diese Flussgrößen werden jeweils mit einer Flussführungsgröße verglichen, die von einer Drehmomentregelung abgeleitet werden kann. Im Grunddrehzahlbereich ergibt sich dann eine sehr einfache Regelung nach folgender Vorschrift:
Übersteigt der Istwert des Moments den Sollwert um mehr als eine zugelassene Toleranz, so ist anstelle des durch die Flussselbstregelung aus den sechs äußeren Raumzeigerwerten der Maschinenspannung bestimmten aktuellen Raumzeigerwerts der siebte Raumzeigerwert mit dem Betrag Null solange einzuschalten, bis der Istwert des Moments den Sollwert um mehr als die zugelassene Toleranz unterschreitet. Danach bestimmt wieder die Flussselbstregelung den Schaltzustand des Wechselrichters. Der siebte Spannungsraumzeigerwert mit dem Betrag Null kann bekanntlich durch zwei verschiedene Schaltzustände bewirkt werden. Durch entsprechende Auswahlkriterien lassen sich Nebenbedingungen erfüllen, z.B. minimale Schalthäufigkeit, Gewährleistung von Schaltzustand-Minimalzeiten.

Auf diese beschriebene Weise stellt sich die über ein Pulsspiel gemittelte Winkelgeschwindigkeit des rotierenden Anteils der resultierenden Flussverkettung selbständig auf den zur Erzeugung des gewünschten Drehmoments erforderlichen Wert ein, und zwar ohne jede Information über die Wellendrehzahl und über aktuelle Werte von Induktivitäten, Rotorwiderstand sowie über andere Größen und Parametern, die bei einem feldorientierten Regelungsverfahren bekannt sein müssen. Die in der Regel immer vorhandenen langsamen und schnellen Schwankungen der Eingangsgleichspannung des Wechselrichters werden durch die direkte Selbstregelung automatisch berücksichtigt und bleiben so ohne Auswirkung auf das in einem vorbestimmten Toleranzband geführte Drehmoment.

Diese direkte Selbstregelung ist für einen Traktionsantrieb geeignet und liefert ein optimales dynamisches Verhalten, allerdings kein reproduzierbares stationäres Verhalten. Außerdem erlaubt diese direkte Selbstregelung kein zu kleines Verhältnis von Schalt- zu Grundfrequenz.

In der Veröffentlichung "Direkte Drehmomentregelung von Drehstromantrieben", abgedruckt in der DE-Zeitschrift "ABB Technik", Nr. 3, 1995, Seiten 19 bis 24, wird eine neuentwickelte direkte Drehmomentregelung vorgestellt. Diese direkte Drehmomentregelung, auch als Direct Torque Control (DTC) bezeichnet, basiert auf den Theorien der feldorientierten Regelung von Asynchronmaschinen und der direkten Selbstregelung. Bei der direkten Drehmomentregelung sind Motor und Wechselrichter weitgehend integriert. Alle Schaltvorgänge des Wechselrichters sind vom elektromagnetischen Zustand des Motors abhängig. Wie bei Gleichstrommaschinen ermöglicht die DTC eine getrennte Regelung von Fluss- und Drehmoment. Ein Pulsweitenmodulator zwischen Motor und Wechselrichtersteuerung wird nicht benötigt.

Kerneinheiten des DTC-Systems sind die Baueinheiten zur Hystereseregelung von Drehmoment und magnetischen Fluss sowie die Logikeinheit zur Schaltoptimierung. Ein anderer wichtiger Bestandteil des Systems ist das genaue Motormodell. Das Motormodell erzeugt durch Messungen zweier Motorströme und der Spannung im Gleichstrom-Zwischenkreis Istwert-Signale von Drehmoment, Ständerfluss, Frequenz und Wellendrehzahl. Die Sollwerte für Drehmoment und Fluss werden mit den Istwerten verglichen, und durch Zweipunktregelung der Hysterese werden die Stellsignale erzeugt. Die Logik zur Schaltoptimierung ermittelt anhand der Sollwerte für Drehmoment und Fluss den besten Spannungsvektor. Die Regelung des Ständerflusses erfolgt über die Ausgangsspannung des Wechselrichters. Bei der DTC werden Ständerfluss und Drehmoment innerhalb der Hysteresegrenze gehalten, also innerhalb des gewählten Toleranzbandes. Die Zustandssollwerte werden nur dann geändert, wenn die Istwerte von Drehmoment und Ständerfluss mehr als um die erlaubte Hysterese von ihren Sollwerten abweichen. Wenn der rotierende Ständerflussvektor die obere oder untere Hysteresegrenze erreicht, wird ein geeigneter Spannungsvektor dazu benutzt, die Richtung des Ständerflusses zu ändern und ihn damit innerhalb des Hysteresebandes zu halten. Das erforderliche Drehmoment erzielt man durch die Regelung des Ständerflussvektors.

Auch diese direkte Drehmomentregelung liefert ein optimales dynamisches Verhalten wie die direkte Selbstregelung. Jedoch ist das stationäre Verhalten nicht reproduzierbar und diese direkte Drehmomentregelung erlaubt auch kein zu kleines Verhältnis von Schalt- zu Grundfrequenz.

Aus der Veröffentlichung "Direct stator flux linkage control technique for a permanent magnet synchronous machine", abgedruckt in "Power Electronics Specialist", 2003, PESC'03. IEEE 34th Annual Conference on, Volume 1, June 15–19, 2003, pages 246 bis 250, ist ein direktes Ständerflussverkettungs-Regelverfahren für eine permanent erregte Synchronmaschine bekannt. Bei diesem Regelverfahren wird aus orthogonale Ständerstromkomponenten unter Berücksichtigung einer konstanten Rotorflussverkettung ein Ständerflussverkettungs-Vektor ermittelt. Die Ständerstromkomponenten werden in Abhängigkeit eines Drehmoment-Sollwertes und eines Drehzahl-Istwertes bestimmt. Der Drehmoment-Sollwert wird für eine vorbestimmte Drehzahl in Abhängigkeit eines ermittelten Drehzahl Istwertes generiert. Mittels diesem Verfahren werden die Nachteile der bekannten direkten Drehmomentregelung behoben. Gegenüber dieser direkten Drehmomentregelung arbeitet diese Regelung mit einer konstanten Schaltfrequenz und die Drehmomentwelligkeit wurde wesentlich reduziert.

In der Veröffentlichung "Direkte Selbstregelung, ein neuartiges Regelverfahren für Traktionsantriebe im Ersteinsatz bei dieselelektrischen Lokomotiven", abgedruckt in der DE-Zeitschrift "eb – Elektrische Bahnen", Band 89 (1991), Heft 3, Seiten 79 bis 87, ist eine Realisierung der direkten Selbstregelung (DSR) beschrieben.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur gesteuerten Einprägung eines Ständerstrom- und eines Drehmoment-Sollwertes anzugeben, das die Nachteile der bekannten Verfahren vermeidet, sowie die Erweiterung des Einsatzbereiches auf Synchronmaschinen erlaubt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Durch dieses erfindungsgemäße Verfahren wird die feldorientierte Regelung mit einem Spannungszeitflächen-Steuersatz für off-line optimierte Pulsmuster kombiniert. D.h., als Stellgröße wird keine Ständerspannung mehr vorgegeben, sondern deren Integral, also Spannungszeitflächen. Da diese Spannungszeitflächen die Dimension eines Flusses haben, wird diese Spannungszeitfläche anschaulicher als Klemmenfluss bezeichnet. Somit wird aus einem Spannungssteuersatz ein Spannungszeitflächen-Steuersatz, mit dem eine ausgewählte Flussbahnkurve stationär und dynamisch genau nachgefahren werden kann, um damit die Lage eines ermittelten Klemmenflusses zum Rotorfluss einer Drehfeldmaschine sowohl nach Betrag als auch nach Winkel unmittelbar mit jeder möglichen Schalthandlung einzustellen. Im stationären Zustand ist somit aufgrund der stationär exakten Vorsteuerung mit dem Klemmenfluss auch der Ständerfluss und damit das Drehmoment eingeprägt, das aus der Lage von Ständerfluss zum Rotorfluss bestimmt ist. Außerdem wird durch diese Vorsteuerung des Klemmenflusses der Ständerstrom indirekt eingeprägt, wodurch die Nachteile einer direkten Stromregelung vermieden werden.

Da bei synchroner Taktung die zeitkontinuierliche Differentiation des Flusses zur Spannung zur Erreichung einer stationär und dynamisch richtigen Vorsteuerung nicht möglich ist, wird aufgrund der Erkenntnis dieser Erfindung diese in den zeitdiskreten, pulssynchronen Steuersatz verlagert. Dadurch ist die Eingangsgröße des Steuersatzes dann nicht mehr die Spannung, sondern ihr Integral über der Zeit, was einer Spannungszeitfläche entspricht, die in dem jeweiligen diskreten Abtastintervall vom Steuersatz realisiert werden soll. Die Verschiebung der Differentiation des Klemmenflusses in den Steuersatz bedingt weitergehende Änderungen in der Behandlung und Ausgabe der optimierten Pulsmuster im Steuersatz.

Bei einem vorteilhaften Verfahren wird der Klemmenfluss über einen Umweg über die Berechnung der stationären Ständerspannung ermittelt. Dadurch erhält man gleichzeitig einen Aussteuergrad, der bei der Auswahl eines Pulsmusters verwendet werden kann. Im Feldschwächbereich muss der Aussteuergrad begrenzt werden, die durch den Umweg über die Ständerspannung nun vorgenommen werden kann.

Bei einem weiteren vorteilhaften Verfahren wird ein Istwert des Klemmenflusses bestimmt, der bei der dynamischen Führung eines ermittelten Klemmenflusses auf einer ausgewählten Flussbandkurve verwendet wird. Dadurch werden Abweichungen, die Ausgleichsvorgänge zur Folge haben können, weitehend kömpensiert. Damit wird die dynamische Abweichung vom Ständerfluss auf den Klemmenfluss verschoben, wodurch ein Drehmoment-Sollwert auch dynamisch eingeprägt werden kann. Mit der Einprägung eines Drehmoment-Sollwertes ist die Lage des Ständerflusses zum Rotorfluss exakt eingeprägt, wodurch auch der Ständerstrom bestimmt ist. Somit wird ein Sollwert eines Ständerstromes ebenfalls dynamisch indirekt eingeprägt.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der das erfindungsgemäße Verfahren schematisch veranschaulicht ist.
1 zeigt eine Struktur einer gesamten Antriebsregelung einer Drehfeldmaschine ohne Drehzahlgeber, in der
2 ist ein Zeigerdiagramm einer Asynchronmaschine im rotorflussfesten Koordinatensystem veranschaulicht, die
3 zeigt eine vereinfacht dargestellte Regelstrecke einer Asynchronmaschine, die
4 zeigt eine Spannungsvorsteuerung einer Asynchronmaschine rotorflussorientiert, in der
5 ist eine Struktur der Vorsteuerung für einen Spannungssteuersatz dargestellt, wogegen in der
6 eine Struktur der Vorsteuerung für einen Spannungszeitflächensteuersatz veranschaulicht ist, die
7 zeigt die möglichen Ausgangsspannungen eines Pulswechselrichters im statorfesten Raumzeigerkoordinatensystem, in der
8 ist ein Klemmenflussverlauf in einem Sektor mit Flussbetrags- und Winkelschwellen dargestellt, die
9 zeigt die Realisierung eines vorteilhaften Verfahrens nach der Erfindung, in der
10 ist eine Realisierung eines Fluss- und Drehmomentreglers nach 9 veranschaulicht, die
11 zeigt eine Realisierung der Vorsteuerung nach 9, in der
12 ist ein Blockschaltbild einer Einrichtung zur Berechnung eines Klemmenfluss-Istwertes näher dargestellt, die
13 zeigt die Struktur eines Spannungszeitflächen-Steuersatzes im Grunddrehzahlbereich, die
14 veranschaulicht die Funktion einer Bahnkurvenabkürzung bei Vollblock, die
15 veranschaulicht die Funktion einer Bahnkurvenabkürzung bei einem Flankenpulsmuster, wogegen die
16 die Lage der Nullzeiger bei dynamischer Bahnkurvenabkürzung veranschaulicht und in der
17 ist eine Struktur eines Spannungszeitflächen-Steuersatzes im Grunddrehzahl- und Feldschwächbereich dargestellt.
Um die Übersichtlichkeit zu gewährleisten, wird das erfindungsgemäße Verfahren im folgenden am Beispiel der Asynchronmaschine dargestellt.
In der 1 ist eine Struktur der gesamten Antriebsregelung 2 einer Drehfeldmaschine 4 ohne Drehzahlgeber dargestellt. Die Einrichtung 6, insbesondere ein Mikroprozessor, ist für die Durchführung eines wesentlichen Teils des erfindungsgemäßen Verfahrens verantwortlich. Mittels dieser Einrichtung 6 wird aus ermittelten Stromkomponenten I_Sqsoll und I_Sdsoll und einer ermittelten Ständerkreisfrequenz ω_S als Stellgröße eine Spannungszeitfläche, die hier als Klemmenfluss Ψ _Ksoll bezeichnet wird, berechnet. Die drehmomentbildende Stromkomponente I_Sqsoll eines einzuprägenden Ständerstrom-Sollwertes I _Ssoll wird mittels eines Drehmomentreglers 8 in Abhängigkeit eines Drehmoment-Sollwertes M_soll, eines ermittelten Rotorfluss-Istwertes Ψ _R und eines Drehmoment-Istwertes M berechnet. Außerdem erhält man am Frequenz-Ausgang dieses Drehmomentreglers 8 eine Rotorschlupffrequenz ω_R, die mittels eines Addierers 10 mit einer berechneten Kreisfrequenz ω, die proportional zur mechanischen Drehzahl der Drehfeldmaschine 4 ist, verknüpft. Zur Bestimmung der flussbildenden Stromkomponente I_Sdsoll des einzuprägenden Ständerstrom-Sollwertes I _Ssoll ist ein Flussregler 12 vorgesehen. Deren Eingängen steht ein vorbestimmter Rotorfluss-Sollwert Ψ _Rsoll und ein ermittelter Rotorfluss-Istwert Ψ _R an. Diese beiden Stromkomponenten I_Sdsoll und I_Sqsoll sind Komponenten eines rotorflussfesten Koordinatensystem d, q. Der Drehmoment- und Flussregler 8 und 12 sind aus der feldorientierten Regelung hinreichend bekannt. Außerdem sind aus der feldorientierten Regelung die weiteren Einrichtungen 14, 16 und 18 bekannt. Mit 14 ist ein Motormodell, mit 16 eine Drehzahl- und Parameteradaption und mit 18 ein Betragsbildner bezeichnet. Mittels der Einrichtung 16 werden ein Drehzahlwert und Parameterwerte der Drehfeldmaschine 4, wie Ständerwiderstand R_S, Streuinduktivität L_σ und Hauptinduktivität L_h berechnet. Dazu wird einerseits ein Rotorfluss-Istwert Ψ _R und andererseits eine Ständerstrom-Differenz I _Se, die aus einem Ständerstrom-Modellwert I _Smot und einem Ständerstrom-Istwert I _S, der am Ausgang eines Koordinatenwandlers 20 ansteht, verwendet. Den Ständerstrom-Modellwert I _Smot wird von der Einrichtung 14 geliefert, die einen Rotorfluss Ψ _R und einen Drehmoment-Istwert M generiert. Dazu benötigt diese Einrichtung 14 wenigstens die Parameter und den ermittelten Drehzahl-Istwert ω. Mit 22 ist ein inverses Wechselrichtermodell bezeichnet, dem der Ständerstrom-Modellwert I _Smot zugeführt ist. Ausgangsseitig am inversen Wechselrichtermodell 22 stehen Steuersignale S_ν für einen lastseitigen Stromrichter 24, insbesondere einem Pulswechselrichter, an, der die Dreh feldmaschine 4 speist. Als Drehfeldmaschine 4 kann eine Asynchron- oder eine Synchronmaschine verwendet werden.
In der 2 ist beispielhaft ein Zeigerdiagramm einer Asynchronmaschine in rotorflussfesten Koordinatensystem d, q veranschaulicht. Dieses Zeigerdiagramm zeigt wie gewöhnlich den Ständerspannungs-Zeiger U _S für den stationären und den dynamischen Fall. Ebenfalls ist der Ständerstrom-Zeiger I _S mit seinen orthogonalen Stromkomponenten I_Sd und I_Sq dargestellt. Neu in diesen bekannten Zeigerdiagramm sind Flusszeiger Ψ _K und Ψ _S dargestellt. Der Flusszeiger Ψ _K entspricht dem um 90° gedrehten Ständerspannungs-Zeiger U _Sstat. Somit ist dieser Flusszeiger Ψ _K das Integral des Ständerspannungs-Zeigers U _Sstat und wird als Klemmenfluss-Zeiger Ψ _K bezeichnet. Dieser Klemmenfluss-Zeiger Ψ _K entspricht der vektoriellen Addition des Ständerfluss-Zeigers Ψ _S und einem zum Spannungsabfall am Ständerwiderstand R_S korrespondierenden Flusszeiger.
Eine stationär und dynamisch richtige Vorsteuerung muss die Struktur der Regelstrecke invers wiedergeben, um deren stationäres und dynamisches Verhalten zu kompensieren. In der 3 ist prinzipiell die Aufteilung der Struktur einer Drehfeldmaschine, insbesondere einer Asynchronmaschine, mit den schnell veränderlichen elektrischen Größen der Ständermasche 26 und dem nur langsam änderbaren elektrischen Größen der Rotormasche 28 dargestellt. Die Vorsteuerung und Regelung von Rotorfluss Ψ _R und Drehmoment M (bei einer permanenterregten Synchronmaschine nur Drehmoment) kann in die langsame Vorsteuerung und Regelung des Rotorflusses Ψ _R und die hochdynamische Vorsteuerung und Regelung der feld- und momentenbildenden Stromkomponenten I_Sd und I_Sq aufgeteilt werden. Beim erfindungsgemäßen Verfahren sind nur die Vorsteuerung und Regelung der Stromkomponenten I_Sd und I_Sq über die Ständermasche 26 von Interesse. Bei einer permanenterregten Synchronmaschine ist prinzipiell nur die Ständermasche 26 vorhanden.
In 4 ist die erforderliche Struktur der Vorsteuerung der Ständermasche 26 dargestellt. Dabei sind die Spannungskomponenten U_Sd und U_Sq in die stationären und dynamischen Anteile U_Sdstat, U_Sqstat und U_Sddyn, U_Sqdyn aufgeteilt. Da diese Struktur der Vorsteuerung für ein Fachmann selbstklärend ist, wird an dieser Stelle auf eine nähere Beschreibung dieser Struktur verzichtet. Die Probleme dieser Spannungsvorsteuerung resultieren aus den dynamischen Spannungskomponenten U_Sddyn und U_Sqdyn, die aus einer Differenz des Ständerfluss-Sollwertes Ψ_Sdsoll und Ψ_Sqsoll bestimmt werden müssen.
Diese in der 4 dargestellte Struktur der Vorsteuerung der Ständerspannung U _S kann mit einem Spannungssteuersatz zur vollständigen Struktur einer Vorsteuerung erweitert werden. Eine derartige Struktur ist in der 5 schematisch dargestellt. In einem Steuersatz 30 erfolgt die Anpassung an eine momentane Zwischenkreisspannung U_D sowie die Rücktransformation von flusssynchronen in ein statorfestes Koordinatensystem zur Ausgabe von Schaltzeitpunkten. In dieser Struktur der Vorsteuerung für einen Spannungssteuersatz ist mit 32 eine Pulsmustertabelle mit optimierten Pulsmustern bezeichnet, mit 34 der Parameter Streuinduktivität L_σ mit 36 der Parameter Ständerwiderstand R_S mit 38 eine Differentiations-Einrichtung und mit 40 jeweils eine Additionsstelle. Für eine dynamisch exakte Vorsteuerung muss die Frequenzabhängigkeit, nämlich die Reduzierung bei höheren Frequenzen, des Parameters Streuinduktivität L_σ berücksichtigt werden. Gemäß dieser Struktur wird die sich aus Rotorfluss Ψ _R und durch den Ständerstrom I _S verursachten Streufluss Ψ _σ ergebene Zwischengröße Ständerfluss Ψ _S differenziert, um die Ständerspannung U _S zu erhalten. Dies ist bei asynchroner Modulation problemlos möglich, da in einem Schaltzyklus jeder mögliche Spannungszeiger U _S als Mittelwert eingestellt werden kann.
Der dynamische Anteil des Differenzierens von Flussänderungen kann bei synchronen Pulsmustern nicht ausreichend schnell berücksichtigt werden, da die Zeitdiskretisierung durch die Pulsmuster für eine quasikontinuierliche Behandlung zu groß ist. Dieses lässt sich dadurch erklären, dass in der synchronen Taktung die Schaltreihenfolge der Spannungsraumzeiger fest definiert ist. Dadurch kann die Spannung nicht beliebig nach Betrag und Winkel beeinflusst werden, so dass die Differentiation des Ständerflusses Ψ _S nicht in den gewünschten Ständerspannungs-Raumzeiger U _S umgesetzt werden kann. D.h., dass die Vorsteuerung bei optimierten Pulsmuster nur stationär wirken kann.
Da bei synchroner Taktung die zeitkontinuierliche Differentiation des Flusses zur Spannung zur Erreichung einer stationär und dynamisch richtigen Vorsteuerung nicht möglich ist, wird erfindungsgemäß diese in einen zeitdiskreten, pulssynchronen Steuersatz verlagert. Die Eingangsgröße eines zugehörigen Steuersatzes ist dann nicht mehr die Ständerspannung U _S, sondern ihr Integral über der Zeit, also eine Spannungszeitfläche, die in dem jeweiligen diskreten Abtastintervall von einem Steuersatz 42 realisiert werden muss. Die Struktur der Vorsteuerung für einen Steuersatz 42, der Spannungszeitflächen umsetzen muss, ist in der 6 schematisch veranschaulicht. Da Spannungszeitflächen von der Dimension einen Fluss entsprechen, werden diese Spannungszeitflächen im folgenden als Klemmenfluss Ψ _K bezeichnet. Die zeitdiskrete Differentiation des Klemmenflusses Ψ _K im Steuersatz 42 muss natürlich nach der Rücktransformation in das statorfeste Koordinatensystem erfolgen. Die Bestimmung der Ein- und Ausschaltzeitpunkte der diskreten Spannungszustände auf Basis der Lage des Ständerfluss-Raumzeigers Ψ _S zum Rotorfluss-Raumzeiger Ψ _R bedingt natürlich weitgehende Änderungen in der Behandlung und Ausgabe der optimierten Pulsmuster im Steuersatz 42.
Optimierte Pulsmuster liegen als vorberechnete Schaltwinkel vor, die vom Aussteuergrad abhängig und in diskreten Schritten berechnet und abgelegt sind. Die Zwischenkreisspannung U_D wird dabei für ein Abtastintervall als konstant angenommen. Die Umrechnung der Sollspannung in den Aussteuergrad a für die aktuelle Zwischenkreisspannung U_D sowie von Schaltwinkeln in Schaltzeiten erfolgt im Steuersatz 42.
Bei einem Zweipunktwechselrichter gibt es sechs Spannungszeiger U₀, ..., U₅ mit der Länge 2/3 U_D und zwei Nullzeiger U₆, U₇ mit der Länge Null. Diese Spannungszeiger U₀,...,U₇ sind in der 7 in einem statorfesten Raumzeiger-Koordinatensystem α, β dargestellt. Wenn die Spannungszeitflächen wie ein Fluss (Klemmenfluss) betrachtet werden, können sie im Raumzeigersystem ebenso wie die Spannungen U₀, ..., U₇ als Zeiger beschrieben werden. Ein solcher Klemmenflusszeiger Ψ _K bewegt sich, wenn einer der sechs Spannungszeiger U₀, ..., U₅ eingeschaltet ist, mit der Geschwindigkeit 2/3 U_D pro Sekunde in Richtung des Spannungszeigers, bei eingeschaltetem Nullzeiger U₆, U₇ bleibt er stehen. Wenn bei Grundschwingungstaktung die Spannungszeiger U₀, ..., U₅ nacheinander geschaltet werden, ergibt sich ein sechseckförmiger Verlauf des Klemmenflusszeigers Ψ _K.
Die Grundidee des Spannungszeitflächen-Steuersatzes 42 ist die Zusammenlegung von stationärer und dynamischer Vorsteuerung und der Fehlerkorrektur für die Spannungszeitflächen, so dass diese eingeprägt werden.
Wenn die Spannungszeitflächen bzw. der Klemmenfluss Ψ _K sich auf der für den momentanen Zustand gültigen stationären Wert befindet, sind die primär zu regelnden Größen Drehmoment und Ständerstrom-Komponenten exakt eingestellt. Voraussetzung ist, dass der Wert stationär mit der maximal zur Verfügung stehenden Spannung realisierbar ist.
Bei synchronen Pulsmustern wird anders als bei asynchroner Modulation durch den Einsatz des Flusssteuersatzes die stationäre Spannung inklusiv Oberschwingungen vorgesteuert, obwohl die Regelung selbst natürlich auch nur Grundschwingungs-Sollwerte liefert. Aus den Grundschwingungs-Sollwerten der Regelung wird für den Steuersatz die Soll-Flusskurve ermittelt, aus der dann im Steuersatz augenblickswertorientiert die Schalthandlungen bestimmt werden, wodurch die Oberschwingungen bestimmt werden.
Während die Soll-Spannung nur stationär gilt, gilt die Soll-Flussbandkurve stationär und dynamisch. Damit ist erreicht worden, dass die dynamische Vorsteuerung mit der erforderlichen Differentiation in den zeitdiskret arbeitenden Steuersatz 42 verlagert ist. Unter der Zeitdiskretisierung ist hier die Taktung durch das synchrone Pulsmuster zu verstehen.
Durch das geregelte Nachfahren der Soll-Flussbahnkurve ist die Nachführung der Integrationskonstante von Spannung zu Fluss automatisch gewährleistet, Ausgleichsvorgänge können nicht mehr auftreten.
In den Pulsmustertabellen des Steuersatzes 42 müssen nun statt Spannungszeigern und Schaltwinkeln, die in die Schaltzeit umgerechnet werden, Spannungszeiger und Klemmflusswerte (= Spannungsintegrale) vorgegeben werden. Die Fluss-Sollwerte Ψ _Ksoll ergeben eine zu erreichende Schaltschwelle, aus der mit der momentanen Zwischenkreisspannung U_D und des bisher erreichten Fluss-Istwertes Ψ _K die Schaltzeit T_schalt jeweils neu berechnet wird. Damit werden alle Fehler des Klemmenflusses Ψ _K bei Erreichen der jeweiligen Schaltschwelle korrigiert. Das Regelverfahren der Fehlerkorrektur hat damit Dead-Beat-Verhalten.
Da der Klemmenfluss Ψ _Ksoll nicht direkt als Stellgröße für die Drehmoment-Einprägung geeignet ist, weil die Spannungsabfälle am ohmschen Ständerwiderstand R_S nur stationär berücksichtigt werden können, darf zur Korrektur auch nur ein quasistationärer Klemmenfluss-Istwert Ψ _K verwendet werden.
Die Korrekturmaßnahmen an den Pulsmustern zur Einhaltung der vorgegebenen Klemmenflussbahnkurve führen gemäß 8 zu den folgenden unterschiedlichen Schaltschwellen.
Typen von Umschaltungen:

1. "Ecke" (Wechsel von einem Spannungszeiger zum anderen): Flussbetragsschwelle: Die Projektionsachse steht senkrecht zu neuem Zeiger, die Schaltschwelle entspricht dem Schnittpunkt der neuen Flusstrajektorie mit der Projektionsachse. Wirkung: Durch die Bestimmung des Klemmenfluss-Istwertes auf Basis der Sollständerströme gelingt es, den Ständerfluss-Istwert auch dynamisch zu zentrieren und gleichzeitig den Flussbetragsfehler aufgrund des Spannungsabfalls am Ständerwiderstand R_S mit sehr guter Näherung vorgesteuert zu kompensieren. Der Fluss wird zentriert, der Flussbetragsfehler wird korrigiert.
2. "Null Ein" (Wechsel von einem Spannungszeiger zu einem Nullzeiger, der nächste Spannungszeiger ist der gleiche): Die Projektionsachse steht senkrecht zum vorhergehenden (1. Halbsektor) bzw, übernächsten Spannungszeiger (2. Halbsektor).
3. "Null Ecke" (Wechsel von einem Spannungszeiger zu einem Nullzeiger, der nächste Spannungszeiger ist ein anderer): Die Projektionsachse steht senkrecht zum nächsten Spannungszeiger.
4. "Null Aus" (Wechsel vom Nullzeiger zu einem Spannungszeiger): Flusswinkelschwelle: Der Nullzeiger wird aus- und der nächste Spannungszeiger eingeschaltet, wenn der laufende Sollwinkel des Klemmenflusses gleich dem Umschaltwinkel des Pulsmusters wird. Wirkung: Da der Istfluss-Raumzeiger beim Einschalten des Nullzeigers an der vom Pulsmuster vorgegebenen Stelle der Flusstrajektorie angehalten hat, ist beim Weiterlaufen beim Erreichen des Ausschalt-Sollwinkels durch den Sollfluss-Raumzeiger der Sollwinkel zwischen Ständerfluss und Rotorfluss-Raumzeiger und damit das Drehmoment sehr genau eingestellt. Ein Winkelfehler wird durch das Einschalten des Nullzeigers durch den Istwert und das Ausschalten aufgrund des Sollwertes bestmöglich kompensiert.

Die Pulsmustertabellen bestehen somit aus einer Abfolge dieser Umschaltungen, wobei neben dem Wert der Flussschwelle der Typ der Umschaltung, der Schaltzustand (Spannungszeiger) und die Projektionsachse abgelegt sind.
In der 9 ist die Realisierung eines vorteilhaften Verfahrens nach der Erfindung schematisch veranschaulicht. Gemäß dieser Darstellung wird aus einem vorbestimmten Rotorflussbetrag |Ψ _Rsoll| mittels eines Flussreglers 12 eine flussbildende Stromkomponente I_Sdsoll ermittelt. Aus einem Drehmoment-Sollwert M_soll wird mittels eines Drehmomentreglers 8 und mit dem aus dem Motormodell 14 ermittelten Rotorflussbetrags-Istwert |Ψ _R| eine momentenbildende Stromkomponente I_Sqsoll berechnet. Daneben wird mit einer berechneten stationären Rotorschlupffrequenz ω_R eine für die Pulsmusterauswahl und für Vorausberechnungen benötigte vorgesteuerte, stationär gültige Ständerkreisfrequenz ω_S (= Winkelgeschwindigkeit des Ständerflusses) bestimmt. Diese beiden Stromkomponenten I_Sdsoll und I_Sqsoll werden jeweils betragsmäßig begrenzt, bevor diese wie in der Struktur nach 6 mit einer Einrichtung 34 und 36 multipliziert werden. Am Ausgang der Einrichtung 34 steht dann ein Streufluss-Sollwert Ψ _σ an, der einen Rotorfluss-Istwert Ψ _R aufaddiert wird, so dass am Ausgang des Addierers 40 ein Ständerfluss-Sollwert Ψ _Ssoll ansteht. Dieser Ständerfluss-Sollwert Ψ _Ssoll wird mit einer imaginären Ständerkreisfrequenz ω_S multipliziert, dessen Produkt mittels eines weiteren Addierers 40 auf einem am Ausgang der Einrichtung 36 anstehenden Spannungswert aufaddiert wird. Dadurch erhält man einen stationären Sollwert der Ständerspannung U _Sstat. Dieser Sollwert des stationären Ständerspannungswerts U _Sstat wird auf die Zwischenkreisspannung U_D normiert. Die orthogonalen Komponenten dieser normierten stationären Ständerspannung u _Sstat werden in polare Komponenten Aussteuergrad a und Spannungswinkel δ_u umgewandelt. Dazu wird ein Koordinatenwandler 46 verwendet. Die polare Komponente Aussteuergrad a wird einerseits direkt zur Adressierung einer Winkeltabelle optimierter Pulsmuster und geglättet zur Adressierung einer Pulsmusterauswahlebene verwendet und andererseits zur Ermittlung eines Grundschwingungs-Klemmenflussbetrag |Ψ _K| verwendet. Dazu wird die polare Komponente Aussteuergrad a einem Multiplizierer 48 zugeführt. Am zweiten Eingang des Multiplizierers 48 steht die Zwischenkreisspannung U_D an. Dadurch wird eine Entnormierung herbeigeführt. Der Wert am Ausgang dieses Multiplizierers 48 wird anschließend durch die Ständerkreisfrequenz ω_S geteilt, so dass der Grundschwingungs-Klemmenflussbetrag |Ψ _K| ansteht.
Aus der polaren Komponente Spannungswinkel δ_u (Winkel zwischen Spannung U _Sstat und Rotorfluss Ψ _R gemäß 2) wird durch Subtraktion von 90° ein Winkel δ_ΨK (bzw. χ_soll) zwischen Klemmenfluss Ψ _K und Rotorfluss Ψ _R ermittelt. Auf diesen Winkel δ_ΨK wird mittels eines weiteren Addierers 50 der laufende Rotorflusswinkel γ_ΨR des Motormodells 14 aufaddiert und man erhält den laufenden Klemmenfluss-Sollwinkel γ_ΨKsoll für einen Spannungszeitflächen-Steuersatz.
In der 10 sind beispielhaft Drehmoment- und Flussreglung 8 und 12 explizit dargestellt, wogegen in der 11 die anschließende stationäre und dynamische Vorsteuerung veranschaulicht ist.
Durch den Umweg über die Berechnung der stationären Ständerspannung U _Sstat erhält man einerseits den Aussteuerungsgrad a und andererseits kann man diesen Aussteuerungsgrad a in Feldschwächbereich begrenzen. Der Aussteuerungsgrad a wird für die Auswahl eines Pulsmusters benötigt. Dieser Aussteuergrad a wird direkt zur Adressierung der Winkeltabelle des Pulsmusters und geglättet zur Adressierung der Pulsmusterauswahlebene U/f-Ebene verwendet. Bei der Begrenzung des Aussteuergrades a im Feldschwächbereich (11) muss die Berechnung des Spannungswinkels δ_u so erfolgen, dass die stationär momentenbildende Spannungskomponente u_Sdstat (11) weiter ihren Sollwert entspricht. Dieser Spannungswinkel δ_u wird mit folgender Gleichung:
berechnet.
Gemäß der 11 muss der Sollwert der feldbildenden Stromkomponente I_Sdsoll für die Berechnung des ohmschen Spannungsabfalls am Ständerwiderstand R_S, der in den Kanal der momentenbildenden Spannungskomponente U_Sdstat hineinwirkt, auf den Wert begrenzt werden, der dem im momentanen Betriebszustand realisierbaren Fluss entspricht. Dies ist erforderlich, damit bei Aussteuergradbegrenzung kein stationärer Fehler des vorgesteuerten Drehmoments auftritt.
Bei der Ermittlung der Pulsmuster ist der ohmsche Ständerwiderstand R_S ohne Belang, da er für Oberschwingungen gegenüber der Streureaktanz vernachlässigbar ist. Dadurch wird eine lastunabhängige Vorausberechnung der Pulsmuster möglich. Durch diese ist dann die Klemmenflussbahnkurve bestimmt. Für die Grundschwingung, über die das Drehmoment M_soll eingestellt wird, kann der ohmsche Ständerwiderstand R_S allerdings nicht vernachlässigt werden. Der Spannungsabfall an ihm verursacht die Differenz zwischen Klemmenfluss Ψ _K und Ständerfluss Ψ _S.
Die Annahme, dass der geforderte stationäre Zustand bei synchronen Pulsmustern vor allem bei vorhandenen Nullzeigern U₆, U₇ praktisch mit jedem neuen Schaltzustand erreicht werden kann, erlaubt es, beim Vergleich eines Klemmenfluss-Istwertes Ψ _K mit ausgewählten Flussbetragsschwellen Ψ_KSchw die stationären Spannungsabfälle am ohmschen Ständerwiderstand R_S zugrunde zu legen, die den – als stationär betrachteten – Strom-Sollwerten entspricht.
Dazu ist es gemäß 12 erforderlich zur Berechnung des aktuellen Klemmenflusses, vor der Integration der Ständerspannung U _S den durch den momentanen Ständerstrom I _S verursachten Spannungsabfall am ohmschen Ständerwiderstand R_S abzuziehen, und damit den Ständerflussmomentanwert zu berechnen. Die Integration erfolgt zweckmäßig in ständerfesten Koordinaten α, β, die Ständerflusskomponenten Ψ_Sα und Ψ_Sβ werden dann in das rotorflusssynchrone Koordinatensystem d, q mittels eines Koordinatendrehers 52 gedreht, damit mit den in Rotorkoordinaten vorhandenen Strom-Sollwerten I_Sdsoll und I_Sqsoll die stationären Klemmenflusskomponenten Ψ_Kq und Ψ_Kd bestimmt werden können. Für die weitere Verwendung dieser Klemmenflusskomponenten Ψ_Kq und Ψ_Kd werden diese mittels eines weiteren Koordinatendrehers 54 wieder in ständerfeste Koordinaten Ψ_Kα und Ψ_Kβ zurückgedreht. Am Ausgang dieses Koordinatendrehers 54 stehen dann die ständerfesten Klemmflusskomponenten Ψ_Kα und Ψ_Kβ an. Dadurch wird in guter Näherung statt dem Klemmenfluss Ψ _K der Ständerfluss Ψ _S dynamisch eingeprägt, und damit direkt Ständerstrom I _S und Drehmoment M. Ausgleichsvorgänge durch den ohmschen Ständerwiderstand R_S werden vermieden.
In der 13 ist die Struktur eines Spannungszeitflächen-Steuersatzes im Grunddrehzahlbereich näher dargestellt. In dieser Struktur sind mit 56, 58 und 60 jeweils ein Speicher, mit 62 eine Einrichtung zur Stromrichterlinearisierung, mit 64 eine Einrichtung zur Berechnung von Schaltzeiten für Flussbetragsschwellen, mit 66 eine Einrichtung zur Berechnung von Schaltzeiten für Flusswinkelschwellen, mit 68 eine Einrichtung zur Ermittlung eines Klemmfluss-Istwertes Ψ _K, mit 70 eine Sektorprojezierungseinrichtung, mit 72 eine Einrichtung zur Generierung von Spannungskomponenten U_Sα und U_Sβ eines Ständerspannungs-Istwertes U _S aus Schaltzuständen T1, T2 und T3 und mit 74 ist ein Schaltzeitzähler bezeichnet. In den Speichern 56, 58 und 60 sind die off-line berechneten Pulsmuster PM abgelegt, wobei in dem Speicher 56 eine Tabelle mit Flussbetragsschwellen und eine Tabelle mit Flusswinkelschwellen hinterlegt sind. Im Speicher 58 ist eine Tabelle mit Pro jektionsachsen abgelegt und in dem Speicher 60 ist eine Tabelle mit Schaltzuständen (Spannungszeiger) hinterlegt.
In Abhängigkeit der polaren Komponente Aussteuerungsgrad a der Stellgröße Klemmenfluss-Sollwert Ψ _Ksoll wird eine auf Nennfluss normierte Flussbetragsschwelle und eine entsprechende Flusswinkelschwelle γ_ΨKSchw aus dem Speicher 56 ausgelesen. Diese ausgelesene normierte Flussbetragsschwelle wird mittels eines Multiplizierers 76 mit der polaren Komponente Grundschwingungs-Klemmenflussbetrag |Ψ _K| der Stellgröße Klemmenfluss-Sollwert Ψ _Ksoll multipliziert. Als Ergebnis erhält man eine zum Aussteuergrad a korrespondierende Flussbetragsschwelle Ψ_KSchw. Diese Flussbetragsschwelle Ψ_KSchw wird in der Einrichtung 64 zunächst mit einem projizierten Klemmenfluss-Istwert Ψ_Kproj verglichen, der am Ausgang der Sektorprojezierungseinrichtung 70 ansteht. Die ermittelte Differenz wird einem Dividierer 78 zugeführt, an dessen zweiten Eingang ein Wert 1/√3U_D ansteht, der einer auf die Projektionsachse bezogene Bahngeschwindigkeit des Klemmenflusses Ψ _K entspricht. Am Ausgang dieses Dividierers 78 steht eine entsprechende Schaltzeit T_schaltΨ an, die einem Eingang des Speichers 60 mit der Tabelle Schaltzustände zugeführt wird. Mittels dieser Schaltzeit T_schaltΨ wird ein Nullzeiger U₆, U₇, eine "Ecke" bzw. eine "Null Ecke" eingeschaltet.
Die aus dem Speicher 56 ausgelesene Flusswinkelschwelle γ_ΨKSchw wird in der Einrichtung 66 mit dem laufenden Klemmenfluss-Sollwinkel γ_ΨKsoll verglichen, dessen Differenz durch die Bahngeschwindigkeit des Flusswinkels dividiert wird. Die Bahngeschwindigkeit ist proportional zur Ständerkreisfrequenz ω_S. Am Ausgang des Dividierers 78 steht eine Schaltzeit T_schaltγ für das Ausschalten eines Nullzeigers an, die ebenfalls einem zweiten Eingang des Speichers 60 zugeführt wird.
In Abhängigkeit dieser Schaltzeiten T_schaltΨ und T_schaltγ wird der nächste (i-te) Schaltzustand aus dem Speicher 62 ausgelesen und die Schaltzeit dem zugehörigen Wechselrichterstrang zugewiesen. Die sich ergebenden Schaltzeiten T1, T2 und T3 werden der Einrichtung 62 zur Stromrichterlinearisierung und einem Koordinatenwandler 82 der Einrichtung 72 zur Generierung von Spannungskomponenten U_Sα und U_Sβ eines Ständerspannungs-Sollwertes U _S zugeführt. Die beiden Ausgänge dieses Koordinatenwandlers 82 sind jeweils mit einem Multiplizierer 84 und 86 verbunden, an deren zweiten Eingängen jeweils der Faktor 2/3U_D ansteht. An den Ausgängen dieser beiden Multiplizierer 84 und 86 steht jeweils eine Spannungskomponente U_Sα bzw. U_Sβ eines Ständerspannungs-Sollwertes U _S an. Aus diesen Spannungskomponenten U_Sα und U_Sβ werden Klemmenfluss-Istwertkomponente Ψ_Kα und Ψ_Kβ mit der Einrichtung 68 berechnet, wobei in der 12 ein Ausführungsbeispiel für diese Einrichtung 68 veranschaulicht ist. Mittels der Sektorprojezierungseinrichtung 70 erhält man aus diesen beiden berechneten Klemmenfluss-Istwertkomponenten Ψ_Kα und Ψ_Kβ einen auf den Sektor Null projezierten Klemmenfluss-Istwert Ψ_Kproj.
Mittels der Einrichtung 62 werden stromabhängige Spannungsfehler des Pulsstromrichters 24 auch bei synchronen Pulsmuster kompensiert. Dazu sind dieser Einrichtung 62 die Stromrichter-Ausgangsströme I₁, I₂ und I₃ zugeführt. Der nachgeschaltete Schaltzeitzähler 74 gewährleistet die exakte Ausgabe der voraus berechneten Zeiten und damit ein einwandfreies stationäres Verhalten des Klemmenfluss-Steuersatzes wie ein Spannungssteuersatz. Da nach der Stromrichterlinearisierung die Reihenfolge der Schaltzustände unter Umständen nicht mehr der vom Pulsmuster vorgegebenen entspricht, sollte zur Vermeidung eines softwaremäßigen Neusortierens der Umschaltung eine Zählerhardware eingesetzt werden, bei der die Reihenfolge der Ausgabe nur von den geladenen Schaltzeiten und nicht von der Reihenfolge des Ladens abfängt.
Bei fehlenden oder zu kurzen Nullzeigern U₆, U₇ kann ein Winkelfehler oder ein dynamischer Spannungswinkelanteil nicht mehr über deren Veränderung ausgeregelt werden. Durch den Winkel wird aber hauptsächlich das Drehmoment beeinflusst, das in jedem Betriebspunkt hochdynamisch und unabhängig vom Fluss einzustellen ist. Deshalb muss wie bei Vollaussteuerung die Drehmomentvorsteuerung und -regelung hier vorrangig vor der Flussvorsteuerung und -regelung behandelt werden, zumal dynamische Änderungen der feldbildenden Stromkomponente wegen der großen Rotationszeitkonstante nur sehr abgeschwächt auf den Rotorfluss Ψ_R wirken. Entscheidend ist allerdings, dass sich die feldbildende Stromkomponente I_Sdsoll die nicht mehr unabhängig zu beeinflussen ist, nicht nennenswert vergrößert, da dann die für den Pulswechselrichter wichtige Strombegrenzung nicht mehr wirkt.
Der Winkel δ_ΨK des Klemmenfluss Ψ _Ksoll muss dazu über die Flussbetragsschwellen Ψ_KSchw beeinflusst werden. Eine dynamische Änderung der Flussbetragsschwellen Ψ_KSchw bewirkt eine Verlängerung oder Verkürzung der Flussbahnkurve, die bei konstanter Zwischenkreisspannung U_D mit konstanter Bahngeschwindigkeit durchlaufen wird, und damit einen langsameren oder schnelleren Umlauf, wodurch sich der Winkel δ_ΨK des Klemmenflusses Ψ _Ksoll gegenüber dem Rotorfluss Ψ _R ändert.
Diese Bahnkurvensteuerung funktioniert im Prinzip wie die dynamische Feldschwächung bei asynchroner Modulation, bei synchroner Taktung ist sie jedoch im Gegensatz dazu exakt vorsteuerbar, weil der Bereich der Bahnkurvenänderung von einem Sektor durch die Festlegung des Pulsmusters für einen Sektor bekannt ist.
Diese Änderung der Regelstruktur beginnt dynamisch wegen der Abhängigkeit von den Nullzeiger U₆ bzw. U₇ bereits vor Vollaussteuerung bei Aussteuergraden von 0,8 bis 0,9, bei Erreichen der Aussteuerungsbegrenzung wirkt sie dann auch stationär, d.h. die feldbildende Stromkomponente I_Sdsoll und der Rotorfluss Ψ _R sind auch stationär nicht mehr zu beeinflussen. Hier sorgt die stationäre Vorsteuerung für den korrekten Sollwinkel.
Zur Veränderung der Länge der Flussbahnkurve werden in dem momentanen Sektor die Umschaltschwellen der Flussbahnkurve verändert, so dass diese zu kleineren oder größeren Werten parallel verschoben wird. In der 14 ist eine Bahnkurvenabkürzung für Vollblock und in der 16 ist eine Bahnkurvenabkürzung bei einem Flankenpulsmuster, beispielsweise 3-fach-Flanke, gezeigt. Aus der Geometrie kann man entnehmen, dass die Bahnlängenveränderung und entsprechend die Winkeländerung linear von einer Schwellenänderung abhängt. Der erforderliche Anpassfaktor ergibt sich zu:
In der 14 ergibt sich mit diesem Anpassfaktor K_Schw aus einer vorausberechneten Flussbetragsschwelle Ψ_KSchVB eine reduzierte Flussbetragsschwelle Ψ_Kschred, wodurch sich die Länge So der Bahnkurve um ΔS verkürzt.
Bei Pulsmustern mit Umschaltungen an den Flanken (Eckeneinklappungen) ergibt sich die Eigenschaft, dass die Länge S₀ der Bahnkurve ausschließlich von der maximalen Flussschwelle abhängt, und unabhängig von allen kleineren ist. Ein einfaches proportionales Verändern aller Flussschwellen erfüllt also die oben angegebenen Gleichungen. Diese Funktion ist damit vom Pulsmuster unabhängig.
Grundsätzlich ist durch die dynamische Bahnlängenänderung ΔS ein Vor- und Zurückdrehen des Klemmenflusswinkels δ_ΨK gegenüber dem Rotorfluss Ψ _R möglich, entsprechend einer Erhöhung (in Richtung Fahren) oder Erniedrigung (in Richtung Bremsen) des Drehmoments M_soll. Es muss allerdings beachtet werden, dass sich wegen der Flussverminderung beim Vordrehen ein kleinerer feldbildender Strom als im stationären Betrieb einstellt, beim Zurückdrehen wegen der Flusserhöhung aber ein größerer. Deshalb darf ein Zurückdrehen des Winkels δ_ΨK nur in einem sehr geringen Maß vorgenommen werden.
Dies stellt allerdings kein schwerwiegendes Problem dar, da größere Winkeländerungen nur bei Drehmomenterhöhung an der Aussteuerungsgrenze benötigt werden. Bei Drehmomenterniedrigung wird von der Vorsteuerung ein Aussteuergrad kleiner Eins gefordert, der stationär zur Auswahl eines Pulsmusters mit Nullzeiger U₆, U₇ führt. Dynamisch können hier asynchron Nullspannungsraumzeiger geschaltet werden. Die Anzahl der zugelassenen Nullspannungen pro Sektor kann dabei parametriert werden.
Wenn im Übergangsbereich zur Vollaussteuerung Nullzeiger U₆, U₇ auftreten, die aber schon zu kurz für erforderliche Winkeländerungen sind, muss bei einer eingeleiteten Bahnkurvenverkürzung die hier durch erzielbare Winkelkompensation bei den Nullspannungen berücksichtigt werden, da ansonsten eine Überkompensation erfolgen würde.
Dazu werden die Flussbetragsschwellen Ψ_KSchw, an denen die Nullzeiger U₆, U₇ eingeschaltet werden, nicht mit dem Anpassfaktor K_Schw multipliziert, sondern unverändert gelassen. Da in der ersten und zweiten Sektorhälfte die Einschaltschwellen der Nullzeiger jeweils andere Projektionsachsen haben, ergibt sich daraus für die Ausschaltschwellen der Nullzeiger mit 16

– Nullzeiger in erster Sektorhälfte: Einschalten um Δs ≈ Δ_γΨK vorgezogen, keine Korrektur des Ausschaltwinkels
– Nullzeiger in zweiter Sektorhälfte: Einschalten nicht vorgezogen, verzögern des Ausschaltwinkels um Δ_γΨK.

Dadurch wird die Regelfunktion durch die Nullzeiger unterbunden und nur die Winkeländerungen durch die Bahnkurvenabkürzungen wirksam.
In der 17 ist eine Struktur eines Spannungsflächen-Steuersatzes dargestellt, die sich von der Struktur gemäß 13 nur durch eine Zusatzeinrichtung 88 unterscheidet. Diese Zusatzeinrichtung 88 greift auf den laufenden Klemmenfluss-Sollwinkel γ_ΨKsoll und der Flussbetragsschwelle Ψ_KSchw gesteuert ein. Der Eingriff auf den laufenden Klemmenfluss-Sollwinkel γ_ΨKsoll erfolgt in der zweiten Sektorhälfte, wogegen der Eingriff auf die Flussbetragsschwelle Ψ_KSchw bei einer "Ecke" erfolgt. Für diese gesteuerte Einflussnahme weist diese Zusatzeinrichtung 88 zwei Schalter 90 und 92 auf. Am Eingang des Schalters 90 steht eine Winkeldifferenz des Winkels des Klemmenfluss-Istwertes Ψ_Kα, Ψ_Kβ zur Sollflussbahnkurve an. Dieser Differenzwert kann am Anfang und in der Mitte eines jeden Sektors bestimmt werden. Die Mitte eines jeden Sektors wird mittels der Einrichtung 94 erkannt. Mittels der Einrichtung 96 und 98 wird der Winkel eines berechneten Klemmenfluss-Istwertes Ψ_Kα, Ψ_Kβ im voraus berechnet.
Aus dieser Winkeldifferenz wird anschließend der Anpassfaktor K_Schw ermittelt, mit dem außer beim Einschalten von Nullzeigern U₆, U₇ die Flussbetragsschwelle Ψ_KSchw modifiziert wird. In der zweiten Sektorhälfte muss die Winkeldifferenz noch zur Flusswinkelschwelle γ_ΨKsoll zum Ausschalten von Nullzeigern addiert werden.
Durch dieses erfindungsgemäße Verfahren wird die hohe Regeldynamik direkt schaltender Verfahren mit dem optimalen stationären Verhalten off-line optimierter Pulsmuster kombiniert.

Claims

Verfahren zur gesteuerten Einprägung eines Ständerstrom-Sollwertes (I _soll) und eines Drehmoment-Sollwertes (M_soll) für eine pulswechselrichtergespeiste Drehfeldmaschine (4), wobei ein Sollwert für eine feldbildende Stromkomponente (I_Sdsoll) des Ständerstrom-Sollwertes (I _Ssoll) in Abhängigkeit eines vorbestimmten Rotorfluss-Sollwertes (Ψ_Rsoll) und eines ermittelten Rotorfluss-Istwertes (Ψ_R) und ein Sollwert für eine drehmomentbildende Stromkomponente (I_Sqsoll) des Ständerstrom-Sollwertes (I _Ssoll) in Abhängigkeit eines vorbestimmten Drehmoment-Sollwertes (M_soll), des ermittelten Rotorfluss-Istwertes (Ψ_R) und einer ermittelten drehmomentbildenden Stromkomponente (I_sq) eines gemessenen Ständerstromes (I _S) berechnet werden, wobei mit einem Ständerkreisfrequenz-Istwert (ω_S), den Parametern frequenzabhängige Streuinduktivität (L_σ) und Ständerwiderstand (R_S) der Ständermasche ein Integral der Ständerspannung als Stellgröße berechnet wird, aus dem eine aus off-line optimierten Pulsmustern ausgewählte Sollflussbahnkurve abgeleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit der berechneten Stromkomponenten (I_Sdsoll, I_Sqsoll), der Parameter frequenzabhängige Streuinduktivität (L_σ) und Ständerwiderstand (R_S) der Ständermasche und des Rotorfluss-Istwertes (Ψ_R) eine stationäre normierte Ständerspannung (u _Sstat) berechnet wird, die mittels einer gemessenen Zwischenkreisspannung (U_D) normiert wird.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung eines Klemmenfluss-Istwertes (Ψ _K) vor der Integration der Ständerspannung (U _S) von dieser ein durch den momentanen Ständerstrom (I _S) verursachter Spannungsabfall am Ständerwiderstand (R_S) subtrahiert wird und nach der Integration und nach Transformation in ein rotorflusssynchrones Koordina tensystem ein durch den einzuprägenden Ständerstrom-Sollwert (I _Ssoll) verursachter Spannungsabfall am Ständerwiderstand (R_S) dividiert durch die Ständerkreisfrequenz ω_S addiert wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass aus der normierten stationären Ständerspannung (u _Sstat) als polare Komponenten ein Aussteuerungsgrad (a) und ein Spannungswinkel (δ_U) berechnet werden.
Verfahren nach Anspruch 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit der gemessenen Zwischenkreisspannung (U_D), der berechneten Ständerkreisfrequenz (ω_S) und dem Aussteuerungsgrad (a) gemäß folgender Gleichung:
ein Grundschwingungs-Klemmenflussbetrag berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit eines ermittelten laufenden Rotorflusswinkels (γ_ΨR) und eines ermittelten Winkels (δ_ΨK) zwischen Klemmenfluss (Ψ_K) und Rotorfluss (Ψ_R) gemäß folgender Gleichung: γΨKsoll = γΨR + δΨK ein laufender Klemmenfluss-Sollwinkel (γ_ΨKsoll) berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die polare Komponente Spannungswinkel (δ_U) der stationären normierten Ständerspannung (u _Sdstat) gemäß folgender Gleichung:
berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel (δ_ΨK) zwischen Klemmenfluss (Ψ_K) und Rotorfluss (Ψ_R) gemäß folgender Gleichung:
berechnet wird.