DE112017000309T5

DE112017000309T5 - Motorregelungssystem und -verfahren

Info

Publication number: DE112017000309T5
Application number: DE112017000309.1T
Authority: DE
Inventors: Leandro Della Flora; Anton Smith
Original assignee: Danfoss Power Electronics AS
Current assignee: Danfoss Power Electronics AS
Priority date: 2016-01-07
Filing date: 2017-01-04
Publication date: 2018-09-27
Also published as: US10461679B2; US20190006974A1; CN108604871A; WO2017118669A1

Abstract

Ein Verfahren und eine Einrichtung zum Fangen eines rotierenden Motors ist beschrieben. Schalter (normalerweise die unteren Schalter) eines Wechselrichters einer Motorantriebsschaltung werden für einen kurzen Zeitraum kurzgeschlossen. Die durch diesen Vorgang erzeugten Impulse werden analysiert, um die Geschwindigkeit und Richtung der Rotation des Motors zu ermitteln. Die Impulse werden überprüft, um zu ermitteln, ob sie orthogonal sind. Sind sie dies, wird die Motorgeschwindigkeitsermittlung als zuverlässig erachtet und dann wird der Motor magnetisiert und die normale Motorregelung kann wiederaufgenommen werden. Wenn nicht, wird die Motorgeschwindigkeitsermittlung als unzuverlässig erachtet und ein Magnetisierungsimpuls vor dem Geschwindigkeitsermittlungsschritt wird wiederholt.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Motorregelungssystem und -verfahren.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Drehzahlgeregelte Antriebe sind bekannt für die Verwendung bei der Regelung von Mehrphasenelektromotoren. In einigen Fällen kann der Zustand eines Elektromotors, der von einem drehzahlgeregelten Antrieb angetrieben wird, unbekannt sein. Insbesondere kann die Winkelposition und/oder die Geschwindigkeit der Rotation eines Läufers des Motors unbekannt sein. Dies kann aus vielen unterschiedlichen Gründen vorkommen. Solch eine Situation kann, zum Beispiel, nach einem kurzen Leistungsausfall auftreten. Alternativ kann es zu dieser Situation kommen, wenn ein Läufer sich bereits dreht, bevor eine Motorantriebsregelung begonnen hat (d. h. beim Anfahren des Motorantriebs).
Somit kann in einem Motor sowohl mechanische als auch elektrische Energie gespeichert sein, bevor er von einem Motorantrieb geregelt wird. Es sind Algorithmen bekannt, die darauf abzielen, einem Motorantrieb zu ermöglichen, die Regelung eines Motors zu übernehmen, ohne eine große Störung der in der Maschine gespeicherten Energie zu verursachen, und dies zu tun, ohne die gesamte Energie aus dem Motor zu nehmen. Es verbleibt jedoch ein Bedarf an verbesserten und alternativen Motorregelungssystemen und -verfahren.
Die vorliegende Erfindung zielt darauf ab, ein alternatives Verfahren zu den bereits verfügbaren bereitzustellen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren (zum Fangen oder Regeln eines Motors) bereit, umfassend: Schätzen einer Rotations Frequenz eines Motors (d. h. Motordrehzahl) durch wiederholtes Kurzschließen von zumindest einigen Wicklungen des Motors, um mehrere Kurzschlussstromimpulse zu erzeugen, Feststellen der Spitzen der Kurzschlussstromimpulse und Verwenden der festgestellten Spitzen zum Schätzen der Frequenz (und normalerweise auch Richtung) der Rotation; Ermitteln, ob die Schätzung der Rotations Frequenz des Motors zuverlässig ist; und in dem Fall, dass die Schätzung der Rotations Frequenz des Motors als unzuverlässig ermittelt wird, Anlegen eines magnetisierenden Impulses an den Motor und Wiederholen der Schritte des Schätzens der Rotations Frequenz des Motors und Ermitteln, ob die Schätzung der Rotations Frequenz des Motors zuverlässig ist.
Die vorliegende Erfindung stellt weiter einen Regler (z. B. einen Motorregler/ein Modul für einen fliegenden Start) bereit, umfassend: einen ersten Eingang zum Erhalten von mehreren Kurzschlussstromimpulsen von zumindest einigen Wicklungen eines Motors; ein Regelmodul, dazu ausgelegt, Spitzen der Kurzschlussstromimpulse festzustellen und die festgestellten Spitzen zum Schätzen der Frequenz (und normalerweise auch Richtung) der Rotation des Motors zu verwenden, wobei das Regelmodul weiter dazu ausgelegt ist: zu ermitteln, ob die Schätzung der Rotations Frequenz des Motors zuverlässig ist; und in dem Fall, dass die Schätzung der Rotations Frequenz des Motors als unzuverlässig ermittelt wird, die Anlegung eines magnetisierenden Impulses an den Motor anzuweisen und die Schritte des Schätzens der Rotations Frequenz des Motors und des Ermittelns, ob die Schätzung der Rotations Frequenz des Motors zuverlässig ist, zu wiederholen. Der Regler kann weiter einen Frequenzschätzer (z. B. einen Phasenregelkreis beinhaltend) umfassen, dazu ausgelegt, den Schätzwert der Frequenz (und Richtung) der Rotation des Motors zu erzeugen. Der Frequenzschätzer kann weiter dazu ausgelegt sein, zu ermitteln, ob Signale, die auf Cosinus- und Sinus-Vektoren von gemessenen Strömen schließen lassen, orthogonal sind.
Das Ermitteln, ob die Schätzung der Rotations Frequenz des Motors zuverlässig ist, kann umfassen Ermitteln, ob Signale, die auf Cosinus- und Sinus-Vektoren von gemessenen Strömen schließen lassen, orthogonal sind. Genauer gesagt, kann das Ermitteln, ob die Signale, die auf die Cosinus- und Sinus-Vektoren schließen lassen, orthogonal sind, enthalten Ermitteln, ob ein Skalarprodukt der Cosinus- und Sinus-Vektoren unter einer Schwelle (z. B. nahe an null) liegt. In einer Form der Erfindung sind die Cosinus- und Sinus-Vektoren die Clarke-Transformation der Spitzen der Kurzschlussstromimpulse.
Die Erfindung kann weiter umfassen Ermitteln, dass der Motor im Stillstand ist, in dem Fall, dass ein Wiederholen des Schritts des Ermittelns, ob die Schätzung der Rotations Frequenz des Motors zuverlässig ist, eine Ermittlung ergibt, dass der Schätzwert der Rotations Frequenz des Motors weiterhin unzuverlässig ist.
In einigen Formen der Erfindung umfasst das Anlegen eines magnetisierenden Impulses an den Motor Einspeisen eines Mehrphasen(normalerweise 3-Phasen)-Rampenstroms in den Motor (normalerweise mit einer vorgegebenen Rate). Dies erfolgt normalerweise, bis der Nennstrom der Maschine erreicht ist. Ein Stromregler kann verwendet werden, um den Magnetisierungsimpuls zu erzeugen.
Einige Formen der Erfindung enthalten Erhöhen des Magnetisierungsniveaus im Motor (und dann Verlassen des Verfahrens), wenn die Schätzung der Rotations Frequenz des Motors als zuverlässig ermittelt wurde. Der Schritt des Erhöhens des Magnetisierungsniveaus im Motor kann Einspeisen eines Mehrphasen(normalerweise Dreiphasen)-Stroms in den Motor (z. B. bis der Motor vollständig magnetisiert ist) umfassen.
Die vorliegende Erfindung stellt noch weiter eine Motorantriebsschaltung umfassend einen Regler, wie oben dargelegt, und weiter umfassend einen Wechselrichter unter der Kontrolle des Reglers bereit.
Figurenliste
Die Erfindung wird nun ausführlicher unter Bezugnahme auf die folgenden schematischen Zeichnungen beschrieben, in welchen:

1 ein Mehrphasenmotorantriebssystem zeigt;
2 einen Wechselrichter zeigt, der in dem Motorantriebssystem von 1 verwendet werden kann;
3 ein Flussdiagramm eines Algorithmus in Übereinstimmung mit einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist;
4 Stromwellenformen an Motorwicklungen in Übereinstimmung mit einem Aspekt der vorliegenden Erfindung zeigt;
Figur 5 Hüllkurven von Stromwellenformen in Übereinstimmung mit einem Aspekt der vorliegenden Erfindung zeigt;
6 eine geschätzte Frequenz über Zeit in Übereinstimmung mit einem Aspekt der vorliegenden Erfindung zeigt;
7 eine Phasenregelkreisschaltung in Übereinstimmung mit einem Aspekt der vorliegenden Erfindung zeigt;
8 Magnetisierungsimpulse in Übereinstimmung mit einem Aspekt der vorliegenden Erfindung zeigt;
9 Magnetisierungsrampensignale in Übereinstimmung mit einem Aspekt der vorliegenden Erfindung zeigt;
10 Signale einer Motoranfahranordnung in Übereinstimmung mit einem Aspekt der vorliegenden Erfindung zeigt;
11 Signale einer Motoranfahranordnung in Übereinstimmung mit einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung zeigt; und
12 ein Blockdiagramm eines Systems in Übereinstimmung mit einem Aspekt der vorliegenden Erfindung zeigt.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
1 ist ein Blockdiagramm eines Systems, allgemein durch das Bezugszeichen 1 angegeben, das einen drehzahlgeregelten Antrieb (Adjustable Speed Drive, ASD) enthält. Das System 1 umfasst eine Wechselstromversorgung 2, einen ASD 4 und eine Last 6 (wie etwa einen Dreiphasenmotor). Der ASD 4 enthält einen Gleichrichter 8 (häufig einen diodenbasierten Gleichrichter, wie in 1 gezeigt, obwohl Alternativen, wie etwa hoch entwickelte Front-End-Gleichrichter bekannt sind), einen Gleichstromzwischenkreiskondensator 10, einen Wechselrichter 12 und ein Regelmodul 14.
Der Ausgang der Wechselstromquelle 2 ist mit dem Eingang des Gleichrichters 8 verbunden. Der Ausgang des Gleichrichters 8 stellt Gleichstrom an den Wechselrichter 12 bereit. Wie weiter unten beschrieben, enthält der Wechselrichter 12 ein Schaltmodul, das zum Umwandeln der Gleichstromspannung in eine Wechselstromspannung mit einer Frequenz und Phase abhängig von Gate-Steuersignalen verwendet wird. Die Gate-Steuersignale werden normalerweise vom Regelmodul 14 bereitgestellt. Auf diese Weise können die Frequenz und Phase von jedem Eingang an die Last 6 geregelt werden.
Der Wechselrichter 12 steht normalerweise in Zweiwegekommunikation mit dem Regelmodul 14. Der Wechselrichter 12 kann Ströme und Spannungen in jeder der drei Verbindungen zu der Last 6 überwachen (annehmend, dass eine Dreiphasenlast angetrieben wird) und kann Strom- und Spannungsdaten an das Regelmodul 14 bereitstellen (obwohl die Verwendung von sowohl Strom- als auch Spannungssensoren keinesfalls unerlässlich ist). Das Regelmodul 14 kann die Strom- und/oder Spannungsdaten (soweit verfügbar) beim wie gewünschten Erzeugen der zum Betreiben der Last erforderlichen Gate-Steuersignale nutzen; eine weitere Anordnung dient dem Schätzen der Ströme von den aufgenommenen Spannungen und den Schaltmustern - andere Regelanordnungen sind ebenfalls vorhanden.
2 zeigt Einzelheiten einer beispielhaften Ausführung des Wechselrichters 12.
Wie in 2 gezeigt, umfasst der Wechselrichter 12 ein erstes, zweites und drittes High-Side-Schaltelement (T1, T2 und T3) und ein erstes, zweites und drittes Low-Side-Schaltelement (T4, T5 und T6). Jedes Schaltelement kann, zum Beispiel, ein Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode (Insulated-Gate Bipolar Transistor, IGBT) oder ein MOSFET-Transistor sein. Wie in 2 gezeigt, ist jedes der Schaltelemente (T1 bis T6) einer entsprechenden Freilaufdiode (D1 bis D6) zugeordnet.
Der beispielhafte Wechselrichter 12 ist ein Dreiphasenwechselrichter, der drei Ausgänge erzeugt: U, V und W. Die drei Phasen des Wechselrichters 12 stellen Eingänge für die drei Phasen der Last 6 in dem oben beschriebenen System 1 bereit. Natürlich könnte der Wechselrichter 12 verändert werden, um eine andere Anzahl von Ausgängen bereitzustellen, um eine andere Last (wie etwa eine Last mit mehr oder weniger als drei Phasen) anzutreiben.
Das erste High-Side-Schaltelement T1 und das erste Low-Side-Schaltelement T4 sind zwischen den positiven und negativen Gleichstromanschlüssen miteinander verbunden. Der Mittelpunkt dieser Schaltelemente stellt den U-Phasen-Ausgang bereit. In einer ähnlichen Weise sind das zweite High-Side-Schaltelement T2 und das zweite Low-Side-Schaltelement T5 zwischen den positiven und negativen Gleichstromanschlüssen miteinander verbunden, der Mittelpunkt dieser Schaltelemente den V-Phasen-Ausgang bereitstellt. Weiterhin sind das dritte High-Side-Schaltelement T3 und das dritte Low-Side-Schaltelement T6 zwischen den positiven und negativen Gleichstromanschlüssen miteinander verbunden, der Mittelpunkt dieser Schaltelemente den W-Phasen-Ausgang bereitstellt.
Der Wechselrichter 12 ist ein 2-Pegel-Wechselrichter mit 6 Transistoren. Für Fachleute auf dem Gebiet wird offensichtlich sein, dass die Grundsätze der vorliegenden Erfindung auf unterschiedliche Wechselrichter anwendbar sind, wie etwa 3-Pegel-Wechselrichter. Die Beschreibung des Wechselrichters 12 ist beispielhaft bereitgestellt, um die Grundsätze der vorliegenden Erfindung zu veranschaulichen.
3 ist ein Flussdiagramm eines Algorithmus, allgemein durch das Bezugszeichen 20 angegeben, in Übereinstimmung mit einem Aspekt der vorliegenden Erfindung.
Der Algorithmus 20 beginnt bei Schritt 22; während dieses Schritts können, falls erforderlich, eine Initialisierung und Kalibrierung stattfinden. Der Algorithmus geht dann zu einem Schätzungsschritt mit kurzgeschlossenen Wicklungen (Schritt 24) über.
Bei Schritt 24 wird eine Anzahl von Schaltern des Wechselrichters 12 für einen kurzen Zeitraum geschlossen, um Kurzschlussimpulse zu erzeugen. In einer Form der Erfindung wird jedes der Low-Side-Schaltelemente (T4, T5 und T6 in dem beispielhaften Wechselrichter 12) periodisch geschlossen. Im Allgemeinen muss das Kurzschließen lang genug sein, um einen messbaren Strom zu erhalten, der später in dem Algorithmus verwendet werden kann, aber kurz genug sein, um den Wechselrichter in einem diskontinuierlichen Betriebsmodus zu halten.
4 ist ein Graph, allgemein durch das Bezugszeichen 40 angegeben, der Stromwellenformen an Motorwicklungen als Reaktion auf das Kurzschließen der Low-Side-Schaltelemente wie oben beschrieben zeigt. 4 zeigt drei Impulse und die 3-Phasen-Stromwellenform sieht aus wie eine Reihe von Sägezahnwellenformen, deren Hüllkurve 3-phasig sinusförmig ist.
Das Abnehmen der Spitzen der Sägezahnwellenform ermöglicht es, die Hüllkurve zu separieren und für die Frequenzschätzung zu verwenden. 5 zeigt Hüllkurven (allgemein durch das Bezugszeichen 50 angegeben) von Stromwellenformen in Übereinstimmung mit einem Aspekt der vorliegenden Erfindung. Die in 4 sichtbaren Wellenformen können durch Abtasten der Kurzschlussströme herausgefiltert werden, wenn die Schalter geöffnet sind, wodurch die Spitze der Sägezahnwellenform erhalten wird.
Die in 5 gezeigten Frequenzen der Hüllkurven geben die Rotations Frequenz der entsprechenden Phasen des Motors 6 an. 6 ist ein Graph, allgemein durch das Bezugszeichen 60 angegeben, der eine geschätzte Frequenz über Zeit in Übereinstimmung mit einem Aspekt der vorliegenden Erfindung zeigt. Die Frequenzschätzung basiert auf den in 5 gezeigten Hüllkurven und entspricht der Rotations Frequenz des Motors 6. In dem Beispiel von 6 pendelt sich der Frequenzschätzwert bei ungefähr 325 Radiant/Sekunde ein.
In dieser Stufe wurde der Schätzungsschritt 24 mit kurzgeschlossenen Wicklungen des Algorithmus 20 verwendet, um einen Schätzwert der Geschwindigkeit der Rotation des Motors zu erhalten.
Wie oben erwähnt, sind die in 5 gezeigten Frequenzen der Rotation der Hüllkurven gleich der Rotation der elektrischen Frequenz des Motors. Die Hüllkurven werden als der Eingang eines PLL (Phase Lock and Loop) verwendet.
Die Idee hinter dem PLL ist, dass der Sinus der Differenz zwischen dem tatsächlichen Eingangsvektorwinkel θ und seinem Schätzwert θ̂ durch Verwenden eines Proportional-Integral(PI)-Reglers auf null verringert werden kann, wodurch die erkannte Phase an den tatsächlichen Winkel gekoppelt wird. Die geschätzte Frequenz ω̂ wird dann integriert, um den Winkel θ̂ zu erhalten. 7 zeigt das Blockdiagramm eines Phasenregelkreises (PLL), allgemein durch das Bezugszeichen 70 angegeben, der in der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann.
Wie oben beschrieben, sind die in 5 gezeigten Signale 50 3-Phasen-Stromsignale, die die in dem Schritt 24 mit kurzgeschlossenen Wicklungen des Algorithmus 20 erkannten Hüllkurven der Stromsignale repräsentieren. Die Dreiphasen-Stromsignale 50 werden durch Verwenden einer Clarke-Transformation in 2-Phasen-Signale i_saHigh und i_sbHigh umgewandelt. Somit sind die Signale i_saHigh und i_sbHigh, die in dem PLL 70 verwendet werden, die Clarke-Transformation der Spitzenströme der Sägezahnwellenform.
Im normalen Betrieb sind die Stromvektoren i_saHigh und i_sbHigh rechtwinklig zueinander. Der durch das Verbinden der Enden der Stromvektoren erzeugte Winkel definiert das Vektorwinkelsignal θ. Durch einfache Mathematik sind der Cosinus und Sinus des Vektorwinkels θ gegeben durch: $cos (θ) = \frac{i_{s a H i g h}}{\sqrt{i_{s a H i g h}^{2} + i_{s b H i g h}^{2}}}$
und $sin (θ) = \frac{i_{s b H i g h}}{\sqrt{i_{s a H i g h}^{2} + i_{s b H i g h}^{2}}}$
In der Phasenregelkreisschaltung 70 wandelt ein erster Funktionsblock 72 die Stromvektoren i_saHigh und i_sbHigh in einen Schätzwert von cos(θ) um durch Verwenden der Formel: $cos (θ) = \frac{i_{s a H i g h}}{\sqrt{i_{s a H i g h}^{2} + i_{s b H i g h}^{2}}}$
In gleicher Weise wandelt ein zweiter Funktionsblock 74 die Stromvektoren i_saHigh und i_sbHigh in einen Schätzwert von sin(θ) um durch Verwenden der Formel: $sin (θ) = \frac{i_{s b H i g h}}{\sqrt{i_{s a H i g h}^{2} + i_{s b H i g h}^{2}}}$
Der PLL 70 erzeugt einen Schätzwert des Vektorwinkels. Dieser Schätzwert ist mit dem Symbol θ̂ bezeichnet.
Wie in 7 gezeigt, wird der Schätzwert von cos(θ) mit dem Sinus des geschätzten Vektorwinkels multipliziert, um zu ergeben: cos(θ)sin(θ̂). In gleicher Weise wird der Schätzwert von sin(θ) mit dem Cosinus des geschätzten Vektorwinkels multipliziert, um zu ergeben: cos(θ)sin(θ̂).
Ein Fehlerterm wird wie folgt berechnet: $e P L L = sin (θ - \hat{θ}) = cos (θ) sin (\hat{θ}) - sin (θ) cos (\hat{θ})$
Ein PI-Regler wird verwendet, so dass der Fehlerterm (ePLL) auf null gezwungen wird. Auf diese Weise werden Signale für die geschätzte Frequenz ω̂ und das geschätzte Vektorwinkelsignal θ̂ als Ausgänge des PLL 70 erhalten.
Zurückkehrend zum Algorithmus 20 von 3, wie oben beschrieben, wird der Schätzungsschritt 24 mit kurzgeschlossenen Wicklungen verwendet, um eine geschätzte Frequenz, ω̂, zu ergeben. Der Algorithmus 20 geht dann zu Schritt 26 über, wo ein Orthogonalitätstest verwendet wird, um zu ermitteln, ob die in Schritt 24 durchgeführten Schätzungen wahrscheinlich zuverlässig sind. Der Othogonalitätstestschritt 26 ermittelt, ob die Signale i_saHigh und i_sbHigh tatsächlich orthogonal sind.
Wenn die Eingänge des PLL extrem klein sind und hauptsächlich Rauschen enthalten (d. h. ein niedriges Signal-Rausch-Verhältnis (Signal-to-Noise-Ratio, SNR) aufweisen), werden die cos(θ)- und sin(θ)-Schätzwerte Orthogonalität verlieren. Durch das Überprüfen der Orthogonalität der cos(θ)- und sin((θ)-Signale ist es möglich, zu ermitteln, ob die PLL-Schätzung gültig ist oder nicht. Dies ist wichtig, weil cos(θ) und sin(θ) orthogonal sein müssen, damit der PLL ordnungsgemäß arbeiten kann.
Das Skalarprodukt von zwei Vektoren ergibt sich aus: $\bar{A} \cdot \bar{B} = | A | | B | cos (ϑ)$
Da die cos(θ)- und sin(θ)-Signale zwischen ±1 pendeln, kann die Gleichung (2) gekürzt werden auf: $\bar{A} \cdot \bar{B} = cos (ϑ)$
Wenn cos(θ) und sin(θ) orthogonal sind, beträgt der Winkel zwischen ihnen 90 Grad (cos(90)=0), was bedeutet, dass, wenn cos(θ) und sin(θ) nicht fehlerhaft sind: $\bar{A} \cdot \bar{B} = 0$
Es sei darauf hingewiesen, dass dies auch dann wahr gewesen wäre, wenn die Größen nicht gleich 1 gewesen wären.
Das Skalarprodukt kann iterativ gefunden werden durch: $\bar{A} \cdot \bar{B} = \sum_{i = 1}^{n} A_{i} B_{i}$
Somit verwendet der PLL, in Schritt 26, die stationären Referenzrahmenströme (i_saHigh und i_sbHigh), welche orthogonal zueinander sein sollten, und verwendet ein Skalarprodukt als einen Orthogonalitätstest, um zu ermitteln, ob dem Ausgang des PLL (ermittelt, wenn das Skalarprodukt unter einer ermittelten Schwelle liegt, d. h. dicht an null) vertraut wird. Wenn die Referenzrahmenströme orthogonal sind, geht der Algorithmus 20 zum weiter unten beschriebenen Schritt 34 über; andernfalls geht der Algorithmus zu Schritt 28 über.
Bei Schritt 28 des Algorithmus 20 wurde ermittelt, dass die Schätzung mit kurzgeschlossenen Wicklungen keine zuverlässige Schätzung der Läuferposition bereitgestellt hat. Dies ist wahrscheinlich so, weil das Niveau der Magnetisierung in der Motorwicklung nicht ausreicht, damit die Kurzschlussschritte zuverlässige Daten bereitstellen können. Demgemäß wird, bei Schritt 28, ein Magenetisierungsimpuls an den Motor angelegt.
8 zeigt einen Magnetisierungsimpuls, allgemein durch das Bezugszeichen 80 angegeben, in Übereinstimmung mit einem Aspekt der vorliegenden Erfindung. Der Magnetisierungsimpuls 80 speist einen Dreiphasen-Rampenstrom mit einer vorgegebenen Rate in die Maschine ein, bis der Nennstrom der Maschine erreicht ist. Ein Stromregler wird verwendet, um die Stromrampe zu erstellen. Der Stromregler erfordert eine Rampenrate und einen Stromsollwert als Eingänge und gibt die Dreiphasen-Stromrampe aus, wie etwa die in 8 gezeigte.
Wenn eine Stromrampe an eine rotierende Induktionsmaschine angelegt wird, weist das Gegen-EMK(GEMK)-Signal zwei Komponenten auf:

• Eine Rampe
• Ein Sinuskurvensignal, das mit der Frequenz der Maschine rotiert.

Wenn die Rampe angehalten wird, bevor das Rampensignal das Sinuskurvensignal dominiert, ist es möglich, einen Mindestwert der GEMK zu erhalten. Ein Fangen eines Mindestwerts der GEMK bedeutet, dass das während der Schätzung mit kurzgeschlossener Wicklung beobachtete Stromsignal zu niedrig sein wird, um irgendeine nützliche Information zu erhalten.
Sobald der Magnetisierungsimpuls angelegt ist, ist der Schritt 28 abgeschlossen. Der Algorithmus 20 geht dann zu Schritt 30 über.
Schritt 30 ist ein zweiter „Schätzung mit kurzgeschlossenen Wicklungen“-Schritt und wiederholt den oben beschriebenen Schritt 24. Dem Anlegen des Magnetisierungsimpulses in Schritt 28 folgend, sollte der Vorgang des Kurzschließens korrekte Messungen der Läuferposition ergeben.
Von Schritt 30 geht der Algorithmus 20 zu Schritt 32 über, wo der Orthogonalitätstest (wie oben unter Bezugnahme auf Schritt 26 beschrieben) wiederholt wird. Wenn das Skalarprodukt unter der maßgeblichen Schwelle (d. h. nahe null) ist, geht der Algorithmus 20 zu Schritt 34 über. Wenn das Skalarprodukt weiterhin nicht unter der maßgeblichen Schwelle ist, wird angenommen, dass der Motor im (oder sehr nahe am) Stillstand ist, und der Algorithmus 20 geht zu Schritt 36 über.
Schritt 34 des Algorithmus 20 findet statt, wenn ermittelt wurde, dass die Läuferpositionsschätzungen zuverlässig sind (entweder in Schritt 26 oder Schritt 32 des Algorithmus 20). In dieser Stufe wird die Rotations Frequenz von jeder Phase des Motors als eine zuverlässige Genauigkeit aufweisend erachtet. Um sicherzustellen, dass sich das Magnetismusniveau des Motors auf einem geeigneten Niveau befindet (d. h. auf einem Niveau, auf dem das zum Beschleunigen oder Verzögern des Motors erforderliche Drehmoment verfügbar ist), erhöht der Schritt 34 den Fluss in der Maschine auf das angemessene Niveau. Wenn der Fluss auf dem angemessenen Niveau ist, geht der Algorithmus 20 zu Schritt 36 über.
Der Schritt 34 ist ein „Rampenmagnetisierungsniveau“-Schritt. Der Schritt 34 speist Dreiphasenstrom in den Motor 6 ein, bis die Maschine vollständig magnetisiert ist. 9 zeigt beispielhafte Magnetisierungsrampensignale, allgemein durch das Bezugszeichen 90 angegeben.
Da die Geschwindigkeit der Rotation des Motors ermittelt wurde, sollten die in Schritt 34 angelegten Phasenströme zum bereits drehenden Motor passen. Wenn dies auftritt, gilt der Motor als „gefangen“. Es sei darauf hingewiesen, dass, wenn die Schätzung der Geschwindigkeit der Rotation des Motors um einen kleinen Betrag inkorrekt ist, dann die während des Rampenschritts 34 angelegten steigenden Ströme den Motor zwingen werden, den angelegten Strömen zu folgen. Somit ist der Motor, trotz kleiner Schätzungsfehler, weiterhin „gefangen“. Dies ist möglich, wenn der Fehler ausreichend klein ist und sich in der Praxis als gut funktionierend erwiesen hat.
Bei Schritt 36 des Algorithmus 20 wurde der Motor entweder bei Schritt 24 oder Schritt 28 „gefangen“ oder es wird ermittelt, dass der Motor im Stillstand ist (bei Schritt 32). In jedem Fall ist die Motorgeschwindigkeit bekannt und somit kann eine normale Regelung beginnen. Der Algorithmus 36 kann daher verlassen und die normale Motorregelung angewendet werden.
10 zeigt Signale, allgemein durch das Bezugszeichen 100 angegeben, einer Motoranfahranordnung in Übereinstimmung mit einem Aspekt der vorliegenden Erfindung, wodurch aufgezeigt eine Anwendung des Algorithmus 20 wird. In dem Beispiel von 10 ist der Motor 6, der angefahren wird, anfänglich entmagnetisiert.
Der Algorithmus 20 beginnt im Initialisierungsschritt 22, gefolgt von dem Schätzungsschritt 24 mit kurzgeschlossenen Wicklungen. Die Signale in diesem Teil des Algorithmus sind allgemein durch das Bezugszeichen 102 angegeben. Da der Motor 6 entmagnetisiert ist, führen die in Schritt 24 des Algorithmus 20 angelegten Kurzschlussimpulse nicht zum Erzeugen eines Stromsignals. Demgemäß zeigt der Teil 102 der Signale 100 keine Stromimpulse.
Da die Kurzschlussimpulse bei Schritt 24 nicht zum Erzeugen von Strömen führen, schlägt der Orthogonaltest (Schritt 26) fehl und der Algorithmus geht zu Schritt 28 über, wo ein Magnetisierungsimpuls angelegt wird (Schritt 28). Die Magnetisierungsimpulse sind in Teil 104 der Signale 100 deutlich sichtbar.
Bei angelegtem Magnetisierungsimpuls geht der Algorithmus 20 zu Schritt 30 über, wo erneut Kurzschlussimpulse angelegt werden - dies ist in Teil 106 der Signale 100 gezeigt. Obwohl es scheint, dass als Reaktion auf das Kurzschließen der Wicklungen kein Strom erzeugt wird, werden tatsächlich Ströme erzeugt, sie sind jedoch zu klein, um in 10 sichtbar zu sein.
Dem Schritt 30 folgend wird die Orthogonalität der Stromimpulse überprüft (Schritt 32). Dies sollte nun ein positives Ergebnis zurückliefern, so dass der Algorithmus 20 zu Schritt 34 übergeht. Bei Schritt 34 wird das Magnetisierungsniveau hochgefahren, wie in Teil 108 der Signale 100 gezeigt.
11 zeigt Signale, allgemein durch das Bezugszeichen 110 angegeben, einer Motoranfahranordnung in Übereinstimmung mit einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung, wodurch eine weitere Anwendung des Algorithmus 20 aufgezeigt wird. In dem Beispiel von 10 ist der Motor 6, der angefahren wird, anfänglich magnetisiert.
Der Algorithmus 20 beginnt im Initialisierungsschritt 22, gefolgt von dem Schätzungsschritt 24 mit kurzgeschlossenen Wicklungen. Die Signale in diesem Teil des Algorithmus sind allgemein durch das Bezugszeichen 112 angegeben. Da der Motor 6 magnetisiert ist, ist das Ergebnis der in Schritt 24 des Algorithmus 20 angelegten Kurzschlussimpulse, dass Stromsignale erzeugt werden. Demgemäß zeigt der Teil 112 kleine Stromimpulse.
Da von dem magnetisierten Motor Kurzschlussstromimpulse erzeugt werden, gibt der Orthogonaltest (Schritt 26) an, dass die Stromimpulse orthogonal sind, und somit geht der Algorithmus 20 zu Schritt 34 über. Bei Schritt 34 wird das Magnetisierungsniveau hochgefahren, wie in Teil 114 der Signale 100 gezeigt.
12 zeigt ein Blockdiagramm eines Systems, allgemein durch das Bezugszeichen 120 angegeben, in Übereinstimmung mit einem Aspekt der vorliegenden Erfindung.
Das System 120 umfasst einen Wechselrichter 12 und einen Mehrphasenmotor 6 wie oben unter Bezugnahme auf 1 beschrieben. Der Wechselrichter weist einen Gleichstromeingang auf. Der Gleichstromeingang kann, natürlich, von einer Wechselstromversorgung erhalten werden, durch Verwenden eines Gleichrichters in der unter Bezugnahme auf 1 beschriebenen Weise.
Der Wechselrichter 12 in dem System 120 wird durch Verwenden eines Schaltlogikreglers 122 geregelt. Der Schaltlogikregler 122 stellt PWM-Signale für die Wechselrichterschalter bereit und kann Regelungsinformationen (wie Spannungen und/oder Ströme) von dem Wechselrichter 12 erhalten. Der Schaltlogikregler 122 steht in Zweiwegekommunikation mit einem Frequenzschätzer 126 und einem Stromregler 124. Der Frequenzschätzer 126 kann die Funktionalität des oben beschriebenen PLL 70 bereitstellen. Der Stromregler 124 kann die erforderlichen Regelungssignale bereitstellen, um dem Wechselrichter 12 zu ermöglichen, die oben unter Bezugnahme auf die 8 und/oder 9 beschriebenen Magnetisierungssignale zu erzeugen.
Das System 120 ist stark schematisch. Offensichtlich sind viele Varianten möglich.
Die oben beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung sind nur beispielhaft bereitgestellt. Ein Fachmann wird viele Modifikationen, Veränderungen und Ersetzungen kennen, die durchgeführt werden könnten, ohne vom Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Die Ansprüche der vorliegenden Erfindung sollen alle solche Modifikationen, Veränderungen und Ersetzungen abdecken, die in den Geist und Schutzumfang der Erfindung fallen.

Claims

Verfahren, umfassend: Schätzen einer Rotations Frequenz eines Motors durch wiederholtes Kurzschließen zumindest einiger Wicklungen des Motors, um mehrere Kurzschlussstromimpulse zu erzeugen, Ermitteln der Spitzen der Kurzschlussstromimpulse und Verwenden der ermittelten Spitzen zum Schätzen der Rotations Frequenz; Ermitteln, ob die Schätzung der Rotations Frequenz des Motors zuverlässig ist; und in dem Fall, dass die Schätzung der Rotations Frequenz des Motors als unzuverlässig ermittelt wird, Anlegen eines magnetisierenden Impulses an den Motor und Wiederholen der Schritte des Schätzens der Rotations Frequenz des Motors und Ermitteln, ob die Schätzung der Rotations Frequenz des Motors zuverlässig ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Ermitteln, ob die Schätzung der Rotations Frequenz des Motors zuverlässig ist, ein Ermitteln umfasst, ob Signale, die auf Cosinus- und Sinus-Vektoren von gemessenen Strömen schließen lassen, orthogonal sind.
Verfahren nach Anspruch 2, weiter umfassend Ermitteln, ob die Signale, die auf Cosinus- und Sinus-Vektoren schließen lassen, orthogonal sind, durch Ermitteln, ob ein Skalarprodukt der Cosinus- und Sinus-Vektoren unter einer Schwelle liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, weiter umfassend Ermitteln, dass der Motor im Stillstand ist, in dem Fall, dass das Wiederholen des Schrittes des Ermittelns, ob die Schätzung der Rotations Frequenz des Motors zuverlässig ist, eine Ermittlung ergibt, dass die Schätzung der Rotations Frequenz des Motors weiterhin unzuverlässig ist.
Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei das Anlegen eines magnetisierenden Impulses an den Motor ein Einspeisen eines Mehrphasen-Rampenstroms in den Motor umfasst.
Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei, wenn die Schätzung der Rotations Frequenz des Motors als zuverlässig ermittelt wird, Erhöhen des Magnetisierungsniveaus im Motor.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Erhöhen des Magnetisierungsniveaus im Motor ein Einspeisen eines Mehrphasen-Stroms in den Motor umfasst.
Regler, umfassend: einen ersten Eingang zum Erhalten mehrerer Kurzschlussstromimpulse von zumindest einigen Wicklungen eines Motors; ein Regelmodul, dazu ausgelegt, Spitzen der Kurzschlussstromimpulse festzustellen und die festgestellten Spitzen zum Schätzen der Rotations Frequenz des Motors zu verwenden, wobei das Regelmodul weiter dazu ausgelegt ist: zu ermitteln, ob die Schätzung der Rotations Frequenz des Motors zuverlässig ist; und in dem Fall, dass die Schätzung der Rotations Frequenz des Motors als unzuverlässig ermittelt wird, die Anlegung eines magnetisierenden Impulses an den Motor anzuweisen und die Schritte des Schätzens der Rotations Frequenz des Motors und das Ermittelns, ob die Schätzung der Rotations Frequenz des Motors zuverlässig ist, zu wiederholen.
Regler nach Anspruch 8, weiter umfassend einen Frequenzschätzer, dazu ausgelegt, den Schätzwert der Rotations Frequenz des Motors zu erzeugen.
Regler nach Anspruch 9, wobei der Frequenzschätzer weiter dazu ausgelegt ist, zu ermitteln, ob Signale, die auf Cosinus- und Sinus-Vektoren von gemessenen Strömen schließen lassen, orthogonal sind.
Regler nach einem der Ansprüche 8 bis 11, weiter umfassend einen Stromregler zum Erzeugen des Magnetisierungsimpulses.
Motorantriebsschaltung, umfassend einen Regler nach einem der Ansprüche 8 bis 11 und weiter umfassend einen Wechselrichter unter der Kontrolle des Reglers.