DE19531771A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung einer Drehzahl einer geberlosen, feldorientiert betriebenen Drehfeldmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung einer Drehzahl einer geberlosen, feldorientiert betriebenen Dreh­ feldmaschine, wobei mittels einer Signalverarbeitung, die un­ ter anderem ein vollständiges Maschinenmodell und einen Modu­ lator enthält, in Abhängigkeit eines Fluß-Sollwertes, eines Drehmoment-Sollwertes, eines Gleichspannungswertes, gemesse­ ner Stromrichter-Ausgangsspannungswerte und Systemparameter einerseits Steuersignale und andererseits ein Statorstrom- Modellraumzeiger und ein konjugiert komplexer Bezugsraumzei­ ger berechnet werden und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Über Stromrichter gespeiste Drehfeldmaschinen mit am Stator- oder Rotormagnetfeld orientierter Regelung gestatten es, das Drehmoment mit guter Genauigkeit auf gewünschte Werte einzu­ stellen und auch hochdynamisch zu verändern. Solange die höchste Ausgangsspannung des Stromrichters noch nicht benö­ tigt wird, kann, praktisch unabhängig vom Drehmoment, auch die Stärke des Magnetfeldes der Maschine getrennt auf ge­ wünschte Werte eingestellt werden. Im Bereich niedriger Dreh­ zahlen muß dazu bisher die Drehzahl oder die Winkellage der Maschinenwelle meßtechnisch erfaßt werden, was sich ungünstig auf Robustheit, Volumen und Kosten auswirkt. Es gibt deshalb viele Vorschläge, diesen Nachteil zu beseitigen.

Einige dieser Vorschläge werden in der Zeitschrift "IEEE Transactions on Industry Applications", Vol. 28, No. 6, 1992, Seiten 1367 bis 1375, behandelt. Keines der bekannten Verfah­ ren genügt bisher allen Ansprüchen der Praxis. In der Zeit­ schrift "IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 29, 1993, Seiten 175 bis 180, wird beschrieben, wie durch den Vergleich der Ausgangsgrößen von zwei verschiedenen Rotor­ flußmodellen (Fig. 9) und Adaption des sogenannten "Strom­ modells" hinsichtlich des Parameters "Rotor-Winkelgeschwin­ digkeit" ein Schätzwert _r der entsprechenden Maschinengröße ω_r gewonnen wird. Als Kriterium zur Verstellung von _r wird dabei nur die Winkelabweichung zwischen den von den beiden Modellen bestimmten Rotorflüssen benutzt, ein Betragsfehler bleibt unberücksichtigt. Ein weiterer Nachteil liegt z. B. da­ rin, daß die beiden Flußmodelle nicht ohne Meßgrößen der Ma­ schinenspannungen und -ströme funktionieren. Bei Inbetrieb­ nahme oder Störungssuche müssen diese Signale mit viel Auf­ wand künstlich erzeugt werden, falls der Leistungsteil nicht zugeschaltet werden kann oder nicht vorhanden ist.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung einer Drehzahl einer ge­ berlosen, feldorientiert betriebenen Drehfeldmaschine anzuge­ ben, wodurch kein Mehraufwand entsteht und wobei selbst bei kleinen Drehzahlen auf eine direkte Drehzahl- oder Lagemes­ sung verzichtet werden kann.

Signalverarbeitungsverfahren, die nicht die oben erwähnten Nachteile einer Kombination zweier Flußmodelle aufweisen, enthalten unter anderem ein vollständiges Maschinenmodell, das z. B. allein aus den Vorgabewerten für das Drehmoment und für die Stärke des Drehfeldes sowie für die Rotor-Winkelge­ schwindigkeit alle Zustandsgrößen des Systems in Echtzeit bestimmt, aus denen alle anderen interessierenden Größen algebraisch berechnet werden können.

Ein entsprechendes Verfahren zum Steuern und Regeln einer stromrichtergespeisten Induktionsmaschine ist z. B. beschrie­ ben im VDI-Fortschrittbericht", Reihe 8, Nr. 479, "Schnelle Drehmomentregelung im gesamten Drehzahlbereich eines hoch ausgenutzten Drehfeldantriebs" bzw. im Aufsatz "Schnelle Drehmomentregelung im gesamten Drehzahlbereich eines hochaus­ genutzten Drehfeldantriebes", von D. Maischak und M. N´meth Csóka, abgedruckt in der DE-Zeitschrift "Archiv für Elektro­ technik", Band 77 (1994), Seiten 289 bis 301.

Das erfindungsgemäße Verfahren der Drehzahlbestimmung ohne rotatorische Geber geht von der Tatsache aus, daß das Dreh­ moment einer Drehfeldmaschine im technisch ausnutzbaren Be­ reich zwischen generatorischem und motorischem Kippmoment bei unverändert er Speisespannung monoton vom Winkel ϑ zwischen Statorfeld und Rotorfeld abhängt. Ausgehend vom Leerlauf än­ dert sich bei Asynchronmaschinen dieser Flußwinkel ϑ monoton mit der Drehzahldifferenz und bei Synchronmaschinen die zeit­ liche Änderung dieses Winkels. Erhält die reale Maschine die gleiche Spannung wie ein Maschinenmodell mit gleichen Systemparametern, dann stimmen auch die Drehmomente überein, solange der Parameter Rotorwinkelgeschwindigkeit des Mo­ dells mit der wahren Rotorwinkelgeschwindigkeit ω der realen Maschine übereinstimmt. Ändert sich dann die Rotorwinkelge­ schwindigkeit ω der realen Maschine gegenüber der geschätz­ ten Rotorwinkelgeschwindigkeit , dann stimmt deren Drehmo­ ment M nicht mehr mit dem Drehmoment des Maschinenmodells überein. Durch einen Regler kann nun erfindungsgemäß der Parameter des Maschinenmodells so verstellt werden, daß die Drehmomente M und wieder übereinstimmen, d. h. "ausge­ glichen" sind.

Statt die Drehmomente M und direkt zu vergleichen, ist es auch möglich, dem Drehmoment eindeutig zugeordnete Größen zu benutzen, wie z. B. die sogenannte drehmomentbildende Strom­ komponente eines auf ein am Rotorfluß orientiertes Bezugssy­ stem rotatorisch transformierten Statorstromes.

Das heißt, ein ermittelter Statorstrom-Modellraumzeiger des Maschinenmodells und ein ermittelter Statorstrom-Istraumzei­ ger werden jeweils mittels eines Bezugsraumzeigers in einen Real- und Imaginäranteil des komplexen Bezugssystems aufge­ spalten und die Imaginäranteile dieser beiden Stromraumzeiger werden miteinander verglichen. Stimmt die Modell-Rotorwinkel­ geschwindigkeit mit der Rotorwinkelgeschwindigkeit ω der realen Maschine überein, so sind die ermittelten Imaginäran­ teile der beiden Stromraumzeiger gleich groß. Ist die Modell- Rotorwinkelgeschwindigkeit verschieden von der Rotorwin­ kelgeschwindigkeit ω der realen Maschine, so erhält man aus dem Vergleich eine von Null verschiedene Regelabweichung, die zur Verstellung der Modell-Rotorwinkelgeschwindigkeit ver­ wendet wird. Dabei wird die Modell-Rotorwinkelgeschwindigkeit so lange verstellt, bis die erwähnte Regelabweichung zu Null geworden ist.

Bei einem vorteilhaften Verfahren werden außerdem die Realan­ teile des Statorstrom-Modellraumzeigers und des Statorstrom- Istraumzeigers miteinander verglichen, wobei eine ermittelte Regelabweichung zur Verstellung des Systemparameters Modell- Statorwiderstand _S benutzt wird. Dadurch ist selbst eine korrekte Verstellung der Modell-Rotorwinkelgeschwindigkeit bei extrem niedrigen Ständerfrequenzen der Drehfeldmaschine möglich. Denn bei diesen niedrigen Ständerfrequenzen sind bei vorgebbarer Statorspannung die Ströme der realen Maschine und die des Maschinenmodells praktisch nur vom Parameter Stator­ widerstand R_S und Modell-Statorwiderstand _S abhängig.

Selbst wenn die Modell-Rotorwinkelgeschwindigkeit und die Rotorwinkelgeschwindigkeit ω der realen Maschine bei diesen niedrigen Ständerfrequenzen übereinstimmen, bleibt eine Re­ gelabweichung am Eingang eines Ausgleichsreglers stehen. Das heißt, eine Änderung der Rotorwinkelgeschwindigkeit hat keine Auswirkung auf den Imaginäranteil des Statorstrom- Modellraumzeigers und damit auf das Drehmoment des Motormo­ dells.

Bei einem weiteren vorteilhaften Verfahren wird die ermittel­ te Regelabweichung des Realteils mit dem Vorzeichen einer im Maschinenmodell berechneten Statorleistung multipliziert. Da­ durch kann bei Änderung der Energieflußrichtung, d. h., wenn Bremsleistung an den Stromrichter zurückgespeist wird, auch der Regelsinn für die Verstellung des Systemparameters Sta­ torwiderstand _S umgekehrt werden.

Bei einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden zur Signalverarbeitung, bestehend aus einem Maschinenmodell und einem Modulator, nur zwei Multiplizierer, ein Vergleicher und ein Ausgleichsregler hinzugefügt. Dadurch entsteht kein Mehraufwand.

Bei einer vorteilhaften Vorrichtung ist ein weiterer Verglei­ cher und ein weiterer Ausgleichsregler vorgesehen, mit dem der Parameter _S verstellt werden kann.

Bei einer besonders vorteilhaften Vorrichtung sind die beiden Multiplizierer, die beiden Vergleicher und die beiden Aus­ gleichsregler im Prozessor des Maschinenmodells integriert, wodurch schaltungstechnisch keine Veränderung eintritt.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der ein Ausführungsbeispiel einer Vorrich­ tung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bestimmung einer Drehzahl einer geberlosen, feldorientiert betriebenen Drehfeldmaschine schematisch veranschaulicht ist.

Fig. 1 zeigt eine Prinzipdarstellung einer Induktionsma­ schine, die über einen Pulsstromrichter mit im we­ sentlichen konstanter Gleichspannung zwischen den Eingangsanschlüssen gespeist wird, die

Fig. 2 zeigt das Prinzip der Signalverarbeitung zur Bestim­ mung der Drehzahl der Induktionsmaschine allein un­ ter Benutzung der gemessenen Statorspannungen und in der

Fig. 3 ist ein Blockschaltbild eines bekannten vollständi­ gen Maschinenmodells dargestellt.

In der Fig. 1 wird ein Pulsstromrichter SR symbolisch durch die Umschalter U_a, U_b, U_c dargestellt. Die Umschalter U_a, U_b, U_c verbinden in Abhängigkeit von den zweiwertigen Steuersi­ gnalen S_a, S_b, S_c die Anschlüsse a, b, c mit dem positiven Anschluß "+" auf der Eingangsseite des Pulsstromrichters SR, wenn das zugehörige Schaltsignal den Wert Eins hat bzw. mit dem negativen Anschluß "-", wenn der Wert des Schaltsignals gleich Null ist. Gemessen gegen das mittlere Potential M zwi­ schen den Eingangsanschlüssen "+" und "-" kann ein zur Ver­ bindung mit der Induktionsmaschine DM dienender Anschluß nur die Spannungswerte +E_d oder -E_d annehmen. Durch Pulsmodula­ tion können in bekannter Weise die über ein Modulationsspiel mit der Dauer T_m gebildeten Mittelwertspannungen _aM, _bM, _cM jeden Wert zwischen +E_d und -E_d annehmen. Die Induk­ tionsmaschine DM ist symbolisch durch ihr Raumzeiger-Ersatz­ schaltbild (Γ-Raumzeiger-Ersatzschaltbild) im ständerfesten Bezugssystem dargestellt.

Mit den üblichen Vereinfachungen genügen folgende Parameter zur vollständigen Systembeschreibung der Induktionsmaschine:

Der Statorwiderstand R_S, der Rotorwiderstand R_r, die Magneti­ sierungsinduktivität L_µ, die Streuinduktivität L_σ sowie die elektrische Winkelgeschwindigkeit ω des Rotors, wobei ω = Ω × p und mit Ω die mechanische Winkelgeschwindigkeit des Rotors relativ zum Stator und mit p die Polpaarzahl der Maschine bezeichnet ist. Die Widerstandsparameter R_S und R_r ändern sich mit den zugehörigen Wicklungstemperaturen und die Induktivitäten L_µ und L_σ mit den Flußverkettungen.

Aus den Größen in den Strängen a, b, c erhält man, darge­ stellt am Beispiel der Statorströme i_a, i_b und i_c, die or­ thogonalen Koordinaten des komplexen Statorstrom-Raumzeigers nach folgenden Vorschriften:

Um das pro Polpaar gebildete Drehmoment M zu berechnen, gibt es viele Möglichkeiten, z. B.

Der Realteil der komplexen Größe M, der später behandelt wird, trägt zum wirklichen Drehmoment nichts bei und soll deshalb als Blindmoment BG bezeichnet werden.

Anstelle vom konjugiert komplexen Raumzeiger der Ständer­ flußverkettung kann in Gleichung (2) auch der aus den Rotor­ flußverkettungen abgeleitete konjugiert komplexe Raumzeiger eingesetzt werden, oder auch der Transformationsraumzei­ ger /, der konjugiert komplexe Wert des Einheitsraum­ zeigers in Richtung des Rotorflußraumzeigers .

Alle diese Produkte aus dem Statorstromraumzeiger und einer komplexen "Transformationsgröße" haben die Eigen­ schaft, daß ihr Imaginärteil dem wirklichen Drehmoment pro­ portional ist, d. h. bei stationärem, symmetrischem Betrieb mit zeitlich harmonisch schwingenden Zustandsgrößen eine zeitlich konstante Gleichgröße bildet. Entsprechendes gilt für die "Blindgröße", dem Realteil der Produkte. Bezeichnet man allgemein den Raumzeiger der konjugiert komplexen Trans­ formationsgröße als
= Bezugsgröße zur Aufspaltung des Statorstromes in
= (Drehmoment-)Wirkkomponente des Statorstromes

und in

= (Drehmoment-)Blindkomponente des Statorstromes,

so gilt

Um festzustellen, ob die Drehmomente M und , und damit, bei sonst gleichen Systemparametern, auch die Drehzahlen ω und von realer Maschine DM und Maschinenmodell übereinstimmen, braucht man nur die beiden Raumzeiger der Statorströme und mit der gleichen Transformationsgröße zu multipli­ zieren und die Imaginärteile zu vergleichen:

Wenn die Größe Δ⟂ durch Verstellung des Modellparameters zu Null gemacht wird, dann stimmen auf jeden Fall die zur komplexen Bezugsgröße orthogonalen Statorstromkomponenten und überein, für die Winkelgeschwindigkeiten und ω gilt dies mit Sicherheit dann, wenn auch alle Systempara­ meter bei realer Maschine DM und beim Maschinenmodell gleich sind.

Die Fig. 2 zeigt beispielhaft, wie ein übliches Verfahren zum Steuern und Regeln einer Induktionsmaschine DM zu ergän­ zen ist, um auf eine direkte Messung der Winkelgeschwindig­ keit Ω an der Maschine DM verzichten zu können. Dabei wird vorausgesetzt, daß ein vollständiges Maschinenmodell den Raumzeiger der Modell-Statorströme beinhaltet und außer­ dem einen Bezugs-Raumzeiger , dessen Richtung jederzeit mit der des Raumzeigers der Ständerflußverkettung oder der von der Rotorflußverkettung oder einer da zwischen­ liegenden Richtung übereinstimmt.

Die bekannte Signalverarbeitung 2, die unter anderem einen Modulator und ein vollständiges Maschinenmodell enthält, des­ sen Blockschaltbild in Fig. 3 näher dargestellt ist, reali­ siert normalerweise folgende Funktionen in ständig aufeinan­ derfolgenden Berechnungsspielen mit der konstanten Dauer T_c:
Aus dem Sollwert für die Stärke des magnetischen Drehfel­ des und dem Sollwert für das Drehmoment wird der Raumzei­ ger der Ständerspannungen _aM, _bM und _cM berechnet, die notwendig sind, die Differenzen zwischen Soll- und Ist­ wert zu reduzieren oder auf Null zu halten, wobei ein Schätz­ wert der Rotorwinkelgeschwindigkeit benötigt wird.

Ausgehend von der über das Meßglied 4 gemessenen aktuellen Eingangsgleichspannung 2E_d des Stromrichters SR wird das zu­ gehörige Pulsmuster für die Schaltvariablen S_a, S_b, S_c be­ rechnet, wobei die inneren stromabhängigen Spannungsabfälle des Stromrichters SR berücksichtigt werden. Dazu muß vorher der Statorstrom-Raumzeiger des Maschinenmodells berechnet und dann zu Strangwerten _a, _b, _c umgeformt werden.

Um den Statorstrom-Modellraumzeiger und alle anderen be­ nötigten oder gewünschten Größen berechnen zu können, müssen zuvor nach den Reglern des Systems die Zustandsgrößen, z. B. Raumzeiger der Ständerflußverkettung und Raumzeiger der Läuferflußverkettung neu bestimmt werden. Am Ende des Berechnungsspiels mit der Dauer T_c liegt das Pulsmuster der Schaltvariablen S_a, S_b, S_c fest. Die zugehörigen Schalthand­ lungen werden innerhalb des nächsten Modulationsspiels der Gesamtdauer T_m = N × T_c, wobei N eine ganze Zahl ist, an den zuvor berechneten Zeitpunkten von den Halbleiterschaltern des Stromrichters SR durchgeführt. Am Ende des betrachteten Be­ rechnungsspiels ist nicht nur der zukünftige Wert des Stator­ strom-Modellraumzeigers am Ende des gerade begonnenen Mo­ dulationsspiels bekannt, aus dem errechneten Pulsmuster kann auch der nächste Zwischenwert des Statorstrom-Modellraumzei­ gers , der am Ende des nächsten Berechnungsspiels auftre­ ten wird, bestimmt und abgespeichert werden. Die zugehörigen Ströme i_a, i_b und i_c in der realen Maschine DM treten mit einer Verzögerung von T_c auf. Bis sie von dem Meßglied 6 er­ faßt und am Koordinatenwandler 8 umgeformt zur Verfügung ste­ hen, vergeht üblicherweise eine weitere Totzeit mit der Dauer T_c oder einem kleinen Vielfachen dieser Dauer. Diese Effekte werden in Fig. 2 durch die Totzeitglieder 10 und 12 symbo­ lisch berücksichtigt. Unabhängig von der Zahl N der Berech­ nungszyklen, die in einem Modulationszyklus liegen, kann in jedem Berechnungszyklus der neue Wert des Statorstrom-Ist­ raumzeigers der gemessenen Maschinenströme mit dem zuge­ ordneten Statorstrom-Modellraumzeiger der Ströme des Ma­ schinenmodells verglichen werden, der bereits einige Rechen­ zyklen zuvor berechnet und abgespeichert wurde, was in Fig. 2 durch das Totzeitglied 14 mit der Totzeit T_Σ symbolisiert wird, die sich aus der Summe der anderen Totzeiten ergibt.

Wird als Bezugsgröße zur Aufspaltung des Statorstrom-Raumzei­ ger und des Statorstrom-Modellraumzeigers ein eben­ falls um T_Σ zurückliegender (Totzeitglied 16) konjugiert kom­ plexer Wert des als Bezugsgröße gewählten Raumzeigers be­ nutzt, um in den Multipliziergliedern 18 und 20 gemäß Glei­ chung (3) die Größen

bzw.

zu bilden, so stimmen die Wirkgrößen WG und mit den Dreh­ momenten von realer Maschine DM und Maschinenmodell direkt überein bzw. bis auf einen gleichen Faktor überein.

Zur Adaption des Parameters Rotorgeschwindigkeit des Ma­ schinenmodells wird ein Ausgleichsregler 22 vorgesehen, des­ sen Eingangsgröße, die Regelabweichung Δ⟂, im Vergleicher 24 gebildet wird. Normalerweise sind die den Drehmomenten ent­ sprechenden Größen WG und selbst im stationären Betrieb zeitlich nicht konstant, weil die Eingangsspannungen für reale Maschine und für das Maschinenmodell pulsmoduliert ver­ laufen. Wenn aber beide Spannungen ebenso übereinstimmen wie alle Systemparameter, dann ist im ausgeglichenen Zustand die Regelabweichung Δ⟂ theoretisch gleich Null, praktisch mit guter Näherung. Das bedeutet, daß z. B. Verstärkung und Nach­ stellzeit des Ausgleichsreglers 22 so gewählt werden können, daß sich ein deutlich besseres dynamisches Verhalten als bei anderen Verfahren ergibt. In diesem Zusammenhang spielt die erfindungsgemäße Maßnahme, im Pfad der Signale und eine Totzeit wirken zu lassen, eine wesentliche Rolle.

Wie schon erwähnt, wird das Pulsmuster für die Schaltsignale S_a, S_b, S_c so berechnet, daß sich mit der aktuellen Eingangs­ gleichspannung 2E_d und unter Berücksichtigung der inneren Spannungsabfälle des Stromrichters SR der gewünschte Mittel­ wert des Maschinenspannungs-Raumzeigers für das nächste Modulationsspiel ergibt. Für den Fall, daß die Genauigkeit dieser Steuerung nicht ausreicht, um für die reale Maschine DM und das Maschinenmodell den vorausgesetzten gleichen Ver­ lauf des Raumzeigers der Eingangsspannungen zu gewährleisten, können über ein Meßglied 26 die über ein Modulationsspiel ge­ bildeten Mittelwerte der drei Ausgangsspannungen _aM, _bM und _cM des Stromrichters SR gemessen und als Istwerte für drei Spannungskorrektur-Regelungen verwendet werden, wobei allerdings wiederum eine Totzeit auftritt, die in Fig. 2 durch das Totzeitglied 28 berücksichtigt wird.

Um in anderer Hinsicht ein möglichst robustes Verfahren zu realisieren, ist es vorteilhaft, für die Bezugsgröße den korrigiert komplexen Raumzeiger der Ständerflußverkettungen auszuwählen. Der Parameter L_µ zeigt sehr starke Abhän­ gigkeit von den Flußverkettungen, üblicherweise wird aber nur die Abhängigkeit der Grundschwingungsinduktivität L_µf vom Be­ trag des Raumzeigers berücksichtigt, weil eine genaue Nachbildung der augenblicklichen Magnetisierungsströme i_µa,b,c abhängig von den Augenblickswerten der Flußverkettun­ gen zu aufwendig ist. Da die Magnetisierungsströme i_µa,b,c aber keinen Beitrag zum Drehmoment liefern, solange der Raum­ zeiger der Magnetisierungsströme richtungsgleich mit dem Raumzeiger der Rotorflußverkettung bleibt, haben Unter­ schiede zwischen den Magnetisierungsstrom-Raumzeigern und keinen Einfluß auf die Regelabweichung Δ⟂ und damit auch nicht auf den Zeitverlauf der Ausgangsgröße Rotorwinkelge­ schwindigkeit des Ausgleichsreglers 22.

Durch die bisher geschilderten Maßnahmen wird sichergestellt, daß die Statorstromkomponenten und der realen Dreh­ strommaschine DM und des Maschinenmodells dynamisch gut und stationär nahezu ideal übereinstimmen, wenn das durch Adap­ tion des Parameters Rotorwinkelgeschwindigkeit im Maschi­ nenmodell möglich ist. Bei extrem niedrigen Ständerfrequenzen werden bei vorgegebener Spannung die Ströme der realen Ma­ schine DM und auch die des Maschinenmodells stationär prak­ tisch nur durch die Parameter Statorwiderstand R_s und _S be­ stimmt. Der Statorwiderstand R_s ändert sich sehr stark mit der Wicklungstemperatur, so daß, wenn der Modellwert den Sta­ torwiderständen R_S nicht nachgeführt wird, die Regelabwei­ chung Δ⟂ am Eingang des Ausgleichsreglers 22 nicht gleich Null ist, selbst wenn die Modell-Rotorwinkelgeschwindigkeit und die Rotorwinkelgeschwindigkeit ω übereinstimmen. Das heißt, eine korrekte Bestimmung von der Modell-Rotorwinkelge­ schwindigkeit ist dann nicht möglich.

Da durch Verstellen des Parameters Modell-Rotorwinkelge­ schwindigkeit nichts daran geändert wird, daß die Spannun­ gen der realen Maschine DM und des Maschinenmodells so gut wie technisch möglich übereinstimmen, bleibt bei extrem klei­ nen Statorfrequenzen die Regelabweichung Δ⟂ so lange von Null verschieden, wie Unterschiede zwischen dem Statorwider­ stand R_s und dem Modell-Statorwiderstand _S bestehen.

Erfindungsgemäß wird es durch den Vergleich des bisher nicht benutzten Blindmomentes und BG möglich, diesen Mangel zu beseitigen. Stimmen die Parameter Statorwiderstand R_s und Mo­ dell-Statorwiderstand _S z. B. bei extrem niedrigen Frequen­ zen nicht überein, so führt das bei gleichen Spannungen nicht nur zu Unterschieden bei den drehmomentbildenden Stromkompo­ nenten und der realen Maschine DM und des Maschi­ nenmodells, sondern ebenso zu Differenzen zwischen den fluß­ bildenden Stromkomponenten und der realen Maschine DM und des Maschinenmodells und damit auch zur Ungleichheit der Blindmomente BG und . Bildet man die Differenz Δ|| in einem weiteren Vergleicher 30, so kann über einen weiteren Ausgleichsregler 32 der Parameter Modell-Statorwiderstand _S so lange verstellt werden, bis die Regelabweichung Δ|| den Wert Null annimmt. Bei Änderung der Energieflußrichtung, d. h. wenn Bremsleistung an den Stromrichter SR zurückgespeist wird, muß auch der Regelsinn des weiteren Ausgleichsreglers 32 umgekehrt werden. Dazu kann z. B. die Regelabweichung Δ|| mit dem Vorzeichen sign _S der Statorleistung _S multipli­ ziert werden, wozu das Multiplizierglied 34 vorgesehen ist.

Bei mittleren und großen Ständerfrequenzen kann es zweckmäßig sein, die Verstärkungswirkung des Reglers 32 zu verringern.

Die Fig. 3 zeigt ein Blockschaltbild eines bekannten voll­ ständigen Maschinenmodells. Das vollständige Maschinenmodell weist mehrere Multiplizierer 36, 38, 40, 42, 44 und 46, zwei Ver­ gleicher 48 und 50, zwei Addierglieder 52 und 54 und zwei Integrierglieder 56 und 58 auf. Diesem vollständigen Maschi­ nenmodell werden zwei Eingangsgrößen, nämlich ein Stromrich­ ter-Ausgangsspannungs-Raumzeiger und ein Schätzwert der Rotorwinkelgeschwindigkeit und die Systemparameter Stator­ widerstand R_S, Rotorwiderstand R_r, Magnetisierungsinduktivi­ tät L_µ und Streuinduktivität L_σ zugeführt. Aus diesen Vor­ gabewerten berechnet das vollständige Maschinenmodell die Raumzeiger der Ständerflußverkettung , der Rotorflußver­ kettung und des Statorstromes . Der Statorstrom-Mo­ dellraumzeiger wird zur Berechnung von Schaltvariablen S_a, S_b und S_c mittels eines nicht näher dargestellten Modula­ tors der Signalverarbeitung 2 verwendet, wodurch die inneren stromabhängigen Spannungsabfälle des Stromrichters SR berück­ sichtigt werden können.

Als komplexe Bezugsgröße , die zur Aufspaltung des Stator­ strom-Modellraumzeigers und des Statorstrom-Istraumzei­ gers benötigt wird, kann entweder der Raumzeiger der Ständerflußverkettung oder der Raumzeiger der Rotorfluß­ verkettung oder der komplexe Wert des Einheitsraumzeigers / in Richtung des Rotorfluß-Raumzeigers verwen­ det werden. Da gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren die kon­ jugiert komplexe Bezugsgröße verwendet wird, müssen die Flußverkettungen und in konjugiert komplexe Flußver­ kettungen und gewandelt werden.

Wie diesem Blockschaltbild zu entnehmen ist, ist der Multi­ plizierer 36 eingangsseitig mit einem Eingang für den Para­ meter _S des Maschinenmodells und einem Ausgang des Addier­ gliedes 52 und ausgangsseitig mit einem Vergleicher 48 ver­ bunden, an dessen nichtinvertierendem Eingang der Stromrich­ ter-Ausgangsspannungs-Raumzeiger ansteht. Ausgangsseitig ist dieser Vergleicher 48 über ein erstes Integrierglied 56 mit dem Multiplizierer 38, einem nichtinvertierenden Eingang des Vergleichers 50 und einem Ausgang des Maschinenmodells verbunden. Ausgangsseitig ist der Multiplizierer 38 mit dem Addierglied 52 verbunden, dessen zweiter Eingang mittels des Multiplizierers 40 einerseits mit dem Ausgang des Verglei­ chers 50 und andererseits mittels eines weiteren Multipli­ zierers 42 mit einem Eingang eines weiteren Addiergliedes 54 verknüpft ist. Am zweiten Eingang der Multiplizierer 36, 38 und 40 steht jeweils ein Parameter, nämlich der Statorwider­ stand, _S, der Reziprokwert der Magnetisierungsinduktivität 1/_µ und der Reziprokwert der Streuinduktivität 1/_σ, an. Das Addierglied 54 ist ausgangsseitig mittels eines weiteren Integriergliedes 58 einerseits mit dem invertierenden Eingang des Vergleichers 50 und andererseits mit einem Ausgang des Maschinenmodells und mittels einer Reihenschaltung zweier Multiplizierer 46 und 44 mit dem zweiten Eingang des Addier­ gliedes 54 verknüpft. Am zweiten Eingang des Multiplizierers 46 steht der Faktor j und am zweiten Eingang des Multiplizie­ rers 44 der Schätzwert der Rotorwinkelgeschwindigkeit an. Der Ausgang des Addiergliedes 52, an dem der Statorstrom-Mo­ dellraumzeiger ansteht, ist außerdem mit einem weiteren Ausgang des vollständigen Maschinenmodells verbunden.

Mit Hilfe dieses bekannten vollständigen Maschinenmodells kann man in Abhängigkeit eines ermittelten Spannungs-Raum­ zeigers des Stromrichters SR und einem Schätzwert der Rotorwinkelgeschwindigkeit ω die Flußverkettungen und der Drehfeldmaschine DM und den Statorstrom-Raumzeiger berechnen. Gegenüber der eingangs erwähnten Kombination zweier Flußmodelle wird die Meßgröße Statorstrom nicht be­ nötigt, wodurch die Nachteile bei Inbetriebnahme oder Stö­ rungssuche bei einem vollständigen Maschinenmodell nicht auf­ treten.

Claims (8)

1. Verfahren zur Bestimmung einer Drehzahl (ω) einer ge­ berlosen, feldorientiert betriebenen Drehfeldmaschine (DM) wobei mittels einer Signalverarbeitung (2), die unter anderem ein vollständiges Maschinenmodell und einen Modulator ent­ hält, in Abhängigkeit eines Fluß-Sollwertes eines Drehmoment-Sollwertes eines Gleichspannungswertes (Ê_d), gemessener Stromrichter-Ausgangsspannungswerte (_aM, bM, cM) und Systemparameter (_µ, _σ, _S, _r/_σ ) einerseits Steuersignale (S_a, S_b, S_c) und andererseits ein Statorstrom- Modellraumzeiger und ein konjugiert komplexer Bezugs­ raumzeiger berechnet werden, wobei ein ermittelter Sta­ torstrom-Istraumzeiger () und der berechnete Statorstrom- Modellraumzeiger jeweils mit dem konjugiert komplexen Bezugsraumzeiger multipliziert werden, wobei jeweils die Imaginäranteile , WG) der berechneten Produkte mitein­ ander verglichen werden und wobei eine daraus ermittelte Re­ gelabweichung (Δ⟂) derart zur Verstellung des Systempara­ meters Rotorwinkelgeschwindigkeit () verwendet wird, daß die ermittelte Regelabweichung (Δ⟂) zu Null wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei jeweils die Realanteile , BG) der berechneten Produkte miteinander verglichen wer­ den und wobei eine daraus ermittelte Regelabweichung (Δ||) derart zur Verstellung des Systemparameters Statorwiderstand (_S) verwendet wird, daß die ermittelte Regelabweichung (Δ||) zu Null wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Statorstrom-Modell­ raumzeiger und der konjugiert komplexe Bezugsraumzeiger in Abhängigkeit einer vorbestimmten Zeit (T_Σ) verzögert werden.

4. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die ermittelte Regelab­ weichung (Δ||) des Realanteils , BG) mit dem Vorzeichen (sign _S) einer im Maschinenmodell berechneten Statorleistung (_S) multipliziert wird.

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach An­ spruch 1 mit einer Signalverarbeitung (2), die unter anderem ein vollständiges Maschinenmodell und einen Modulator ent­ hält, wobei ein Ausgang des Maschinenmodells, an dem der kon­ jugiert komplexe Bezugsraumzeiger ansteht, mit einem Eingang eines ersten und zweiten Multiplizierers (18, 20) und ein Ausgang des Maschinenmodells, an dem der Statorstrom- Modellraumzeiger ansteht, mit einem zweiten Eingang des ersten Multiplizierers (18) verbunden ist, wobei der zweite Eingang des zweiten Multiplizierers (20) mittels eines Koor­ dinatenwandlers (8) mit einem Ausgang eines Strom-Meßgliedes (6) verbunden ist, wobei die Ausgänge der Multiplizierer (18, 20), an denen die Imaginäranteile , WG) der berechneten Produkte anstehen, mit einem Vergleicher (24) verknüpft sind, der ausgangsseitig über einen Ausgleichsregler (22) mit einem Parametereingang des Maschinenmodells verknüpft ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Ausgänge der bei­ den Multiplizierer (18, 20), an denen die Realanteile , BG) der berechneten Produkte anstehen, mit einem weiteren Ver­ gleicher (30) verknüpft sind, der ausgangsseitig über einen weiteren Ausgleichsregler (32) mit einem weiteren Parameter­ eingang des Maschinenmodells verknüpft ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei zwischen dem Ausgang des weiteren Vergleichers (30) und dem weiteren Ausgleichs­ regler (32) ein Multiplizierer (34) angeordnet ist, dessen zweiter Eingang mit einem Ausgang des Maschinenmodells ver­ knüpft ist, an dem ein Vorzeichensignal (sign _S) ansteht.

8. Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei diese Vorrichtung im Prozessor des Maschinenmodells integriert ist.