DE19531771B4

DE19531771B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung einer Drehzahl einer geberlosen, feldorientiert betriebenen Drehfeldmaschine

Info

Publication number: DE19531771B4
Application number: DE19531771A
Authority: DE
Inventors: Manfred Prof. Dr.-Ing. Depenbrock
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1995-08-29
Filing date: 1995-08-29
Publication date: 2005-10-27
Anticipated expiration: 2015-08-30
Also published as: WO1997008819A1; DE19531771A1

Abstract

Verfahren zur Bestimmung einer Drehzahl (ω) einer geberlosen, feldorientiert betriebenen Drehfeldmaschine (DM), wobei mittels eines vollständigen Maschinenmodells und in Abhängigkeit gemessener Stromrichter-Ausgangsspannungswerte (e _aM, e _bM, e _cM) und Systemparameter (L ^_μ, L ^_σ, R ^_S, R ^_r/L ^_σ, ω ^) ein Statorstrom-Modellraumzeiger

und ein konjugiert komplexer Bezugsraumzeiger

berechnet werden, die derart zeitlich verschoben werden, daß diese zeitgleich mit einem ermittelten Statorstrom-Raumzeiger

sind, wobei dieser Statorstrom-Istraumzeiger

und der berechnete Statorstrom-Modellraumzeiger

jeweils mit dem konjugiert komplexen Bezugsraumzeiger

multipliziert werden, wobei jeweils die Imaginäranteile (WG ^, WG) der berechneten Produkte miteinander verglichen werden, wobei eine daraus ermittelte Regelabweichung (Δ⊥) derart zur Verstellung des Systemparameters Rotorwinkelgeschwindigkeit (ω ^) verwendet wird, daß die ermittelte Regelabweichung (Δ⊥) zu Null wird, wobei jeweils die Realanteile (BG ^, BG) der berechneten Produkte miteinander verglichen werden und wobei eine daraus ermittelte Regelabweichung (Δ∥⁣) derart zur Verstellung des Systemparameters Statorwiderstand (R ^_S) verwendet wird, daß die ermittelte Regelabweichung (Δ∥⁣) zu Null wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung einer Drehzahl einer geberlosen, feldorientiert betriebenen Drehfeldmaschine, wobei mittels eines vollständigen Maschinenmodells und in Abhängigkeit gemessener Stromrichter-Ausgangsspannungswerte und Systemparameter ein Statorstrom-Modellraumzeiger und ein konjugiert komplexer Bezugsraumzeiger berechnet werden und eine Multiplikation von Stromraumzeiger und Bezugsraumzeiger erfolgt.
Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens mit einer Signalverarbeitung, die unter anderem ein vollständiges Maschinenmodell enthält, wobei ein Ausgang dieser Signalverarbeitung, an dem der konjugiert komplexe Bezugsraumzeiger ansteht, mit einem Eingang eines Multiplizierers verbunden ist, mit dessen zweiten Eingang ein Strommessglied verbunden ist.

Derartige Verfahren und Vorrichtungen sind aus Kubota, Matsuse, Nakano „DSP-Based Speed ..." in IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 29, No. 2, March/April 1993, Seiten 344 bis 348, sowie aus Kubota, Matsuse „Speed Sensorless ...." in IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 30, No. 5, September/October 1994, Seiten 1219 bis 1224, bekannt.

Beim Bekannten werden jedoch die Komponenten der feldorientierten Stromzeiger, die als Vektoren dargestellt sind, voneinander subtrahiert und davon ausgehend wird die Drehzahl bestimmt.

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 benötigt wird, kann, praktisch unabhängig vom Drehmoment, auch die Stärke des Magnetfeldes der Maschine getrennt auf gewünschte Werte eingestellt werden. Im Bereich niedriger Drehzahlen 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 Verfahren genügt bisher allen Ansprüchen der Praxis. In der Zeitschrift "IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 29, 1993, Seiten 175 bis 180, wird beschrieben, wie durch den Vergleich der Ausgangsgrößen von zwei verschiedenen Rotorflußmodellen (9) und Adaption des sogenannten "Strommodells" hinsichtlich des Parameters "Rotor-Winkelgeschwindigkeit" ein Schätzwert ω ^_r der entsprechenden Maschinengröße ω_r gewonnen wird. Als Kriterium zur Verstellung von ω ^_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. darin, daß die beiden Flußmodelle nicht ohne Meßgrößen der Maschinenspannungen und -ströme funktionieren. Bei Inbetriebnahme oder Störungssuche müssen diese Signale mit viel Aufwand künstlich erzeugt werden, falls der Leistungsteil nicht zugeschaltet werden kann oder nicht vorhanden ist.

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-Winkelgeschwindigkeit alle Zustandsgrößen des Systems in Echtzeit be stimmt, aus denen alle anderen interessierenden Größen algebraisch berechnet werden können.

Ein entsprechendes Verfahren zum Steuern und Regeln einer stromrichtergespeisten Induktionsmaschine ist z.B. beschrieben 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 hochausgenutzten Drehfeldantriebes", von D. Maischak und M. Németh Csóka, abgedruckt in der DE-Zeitschrift "Archiv für Elektrotechnik", Band 77 (1994), Seiten 289 bis 301.

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

Die Aufgabe, ein geeignetes Verfahren anzugeben, wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, dass der Statorstrom-Modellraumzeiger und der konjugiert komplexe Bezugsraumzeiger derart zeitlich verschoben werden, dass diese zeitgleich mit einem ermittelten Statorstrom-Raumzeiger sind, wobei dieser Statorstrom-Istraumzeiger und der berechnete Statorstrom-Modellraumzeiger jeweils mit dem konjugiert komplexen Bezugsraumzeiger multipliziert werden, wobei jeweils die Imaginäranteile der berechneten Produkte miteinander verglichen werden, wobei eine daraus ermittelte Regelabweichung derart zur Verstellung des Systemparameters Rotorwinkelgeschwindigkeit verwendet wird, dass die ermittelte Regelabweichung zu Null wird, wobei jeweils die Realanteile der berechneten Produkte miteinander verglichen werden und wobei eine daraus ermittelte Regelabweichung derart zur Verstellung des Systemparameters Statorwiderstand verwendet wird, dass die ermittelte Regelabweichung zu Null wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren der Drehzahlbestimmung ohne rotatorische Geber geht von der Tatsache aus, dass das Drehmoment einer Drehfeldmaschine im technisch ausnutzbaren Bereich zwischen generatorischem und motorischem Kippmoment bei unveränderter Speisespannung monoton vom Winkel θ zwischen Statorfeld und Rotorfeld abhängt. Ausgehend vom Leerlauf ändert sich bei Asynchronmaschinen dieser Flußwinkel ϑ monoton mit der Drehzahldifferenz und bei Synchronmaschinen die zeitliche Änderung ϑ 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 ω ^ des Modells mit der wahren Rotorwinkelgeschwindigkeit ω der realen Maschine übereinstimmt. Ändert sich dann die Rotorwinkelgeschwindigkeit ω der realen Maschine gegenüber der geschätzten Rotorwinkelgeschwindigkeit ω ^, dann stimmt deren Drehmoment M nicht mehr mit dem Drehmoment M ^ des Maschinenmodells überein. Durch einen Regler kann nun erfindungsgemäß der Parameter ω ^ des Maschinenmodells so verstellt werden, dass die Drehmomente M und M ^ wieder übereinstimmen, d.h. "ausgeglichen" sind.

Statt die Drehmomente M und M ^ direkt zu vergleichen, ist es auch möglich, dem Drehmoment eindeutig zugeordnete Größen zu benutzen, wie z.B. die sogenannte drehmomentbildende Stromkomponente eines auf ein am Rotorfluss orientiertes Bezugssystem rotatorisch transformierten Statorstromes.

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

Die Realanteile des Statorstrom-Modellraumzeigers und des Statorstrom-Istraumzeigers werden miteinander verglichen, wobei eine ermittelte Regelabweichung zur Verstellung des Systemparameters Modell-Statorwiderstand R ^_S benutzt wird. Dadurch ist selbst eine korrekte Verstellung der Modell-Rotorwinkelgeschwindigkeit ω ^ 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 Statorwiderstand R_S und Modell-Statorwiderstand R ^_S abhängig.

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

Beispielsweise wird die ermittelte Regelabweichung des Realteils mit dem Vorzeichen einer im Maschinenmodell berechneten Statorleistung multipliziert. Dadurch kann bei Änderung der Energieflussrichtung, d.h., wenn Bremsleistung an den Stromrichter zurückgespeist wird, auch der Regelsinn für die Verstellung des Systemparameters Statorwiderstand R ^_S umgekehrt werden.

Die Aufgabe, eine geeignete Vorrichtung anzugeben, wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Ausgang der Signalverarbeitung mittels eines Totzeitgliedes mit einem Eingang eines ersten und zweiten Mulitplizierers und ein Ausgang der Signalverarbeitung, an dem der Statorstrom-Modellraumzeiger ansteht, mittels eines Totzeitgliedes mit einem zweiten Eingang des ersten Multiplizierers verbunden ist, wobei der zweite Eingang des zweiten Multiplizierers mittels eines Koordinatenwandlers mit vorgeschaltetem Totzeitglied mit einem Ausgang eines Strommessgliedes verbunden ist, wobei die Ausgänge dieser Multiplizierer, an denen die Imaginäranteile der berechneten Produkte anstehen, mit einem Vergleicher verknüpft sind, der ausgangsseitig über einen Ausgleichsregler mit einem Parametereingang für die Rotorwinkelgeschwindigkeit der Signalverarbeitung verknüpft ist und wobei die Ausgänge dieser beiden Multiplizierer, an denen die Realanteile der berechneten Produkte anstehen, mit einem weiteren Vergleicher verknüpft sind, der ausgangsseitig über einen weiteren Ausgleichsregler mit einem weiteren Parametereingang für den Statorwiderstand der Signalverarbeitung verküpft ist.

Beispielsweise ist zwischen dem Ausgang des weiteren Vergleichers und dem weiteren Ausgleichsregler ein Multiplizierer angeordnet, dessen zweiter Eingang mit einem Ausgang des Maschinenmodells verknüpft ist, an dem ein Vorzeichensignal ansteht.

Nach einem besonders vorteilhaften Beispiel ist diese Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens in einem Prozessor integriert. Es tritt dadurch schaltungstechnisch keine Veränderung auf.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bestimmung einer Drehzahl einer geberlosen, feldorientiert betriebenen Drehfeldmaschine schematisch veranschaulicht ist.
1 zeigt eine Prinzipdarstellung einer Induktionsmaschine, die über einen Pulsstromrichter mit im we sentlichen konstanter Gleichspannung zwischen den Eingangsanschlüssen gespeist wird, die
2 zeigt das Prinzip der Signalverarbeitung zur Bestimmung der Drehzahl der Induktionsmaschine allein unter Benutzung der gemessenen Statorspannungen und in der
3 ist ein Blockschaltbild eines bekannten vollständigen Maschinenmodells dargestellt.
In der 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 Steuersignalen 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 zwischen den Eingangsanschlüssen "+" und "–" kann ein zur Verbindung mit der Induktionsmaschine DM dienender Anschluß nur die Spannungswerte +E_d oder –E_d annehmen. Durch Pulsmodulation können in bekannter Weise die über ein Modulationsspiel mit der Dauer T_m gebildeten Mittelwertspannungen e _aM, e _bM, e _cM jeden Wert zwischen +E_d und –E_d annehmen. Die Induktionsmaschine DM ist symbolisch durch ihr Raumzeiger-Ersatzschaltbild (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 Magnetisierungsinduktivität 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, dargestellt am Beispiel der Statorströme i_a, i_b und i_c, die orthogonalen Koordinaten des komplexen Statorstrom-Raumzeigers
nach folgenden Vorschriften: iSα = –ib – ic,
mit j = √–1
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 Ständerflußverkettung kann in Gleichung (2) auch der aus den Rotorflußverkettungen abgeleitete konjugiert komplexe Raumzeiger
eingesetzt werden, oder auch der Transformationsraumzei ger
der konjugiert komplexe Wert des Einheitsraumzeigers in Richtung des Rotorflußraumzeigers
.
Alle diese Produkte aus dem Statorstromraumzeiger
und einer komplexen "Transformationsgröße"
haben die Eigenschaft, daß ihr Immaginärteil dem wirklichen Drehmoment proportional 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 Transformationsgröße 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 M ^, und damit, bei sonst gleichen Systemparametern, auch die Drehzahlen ω und ω ^ von realer Maschine DM und Maschinenmodell übereinstimmen, braucht man nur die beiden rauzeige der Statorströme
und
mit der gleichen Transformationsgröße
zu multiplizieren und die Immaginärteile zu vergleichen:
Wenn die Größe Δ⊥ durch Verstellung des Modellparameters ω ^ zu Null gemacht wird, dann stimmen auf jeden Fall die zur komplexen Bezugsgröße
orthogonalen Statorstromkomponenten
und
überein, für die Winkelgeschwindigkeiten ω ^ und ω gilt dies mit Sicherheit dann, wenn auch alle Systemparameter bei realer Maschine DM und beim Maschinenmodell gleich sind.
Die 2 zeigt beispielhaft, wie ein übliches Verfahren zum Steuern und Regeln einer Induktionsmaschine DM zu ergänzen ist, um auf eine direkte Messung der Winkelgeschwindigkeit Ω an der Maschine DM verzichten zu können. Dabei wird vorausgesetzt, daß ein vollständiges Maschinenmodell den Raumzeiger
der Modell-Statorströme beinhaltet und außerdem einen Bezugs-Raumzeiger
dessen Richtung jederzeit mit des des raumzeigers
der Ständerflußverkettung oder der von
der Rotorflußverkettung oder einer dazwischenliegenden Richtung übereinstimmt.
Die bekannte Signalverarbeitung 2, die unter anderem einen Modulator und ein vollständiges Maschinenmodell enthält, dessen Blockschaltbild in 3 näher dargestellt ist, realisiert normalerweise folgende Funktionen in ständig aufeinanderfolgenden Berechnungsspielen mit der konstanten Dauer T_c: Aus dem Sollwert SF ^ für die Stärke des magnetischen Drehfeldes und dem Sollwert SM ^ für das Drehmoment wird der Raumzei ger
der Ständerspannungen e _aM, e _bM und e _cM berechnet, die notwendig sind, die Differenzen zwischen Soll- und Istwert zu reduzieren oder auf Null zu halten, wobei ein Schätzwert ω ^ der Rotorwinkelgeschwindigkeit benötigt wird.
Ausgehend von der über das Meßglied 4 gemessenen aktuellen Eingangsgleichspannung 2E_d des Stromrichters SR wird das zugehörige Pulsmuster für die Schaltvariablen S_a, S_b, S_c berechnet, wobei die inneren stromabhängigen Spannungsabfälle des Stromrichters SR berücksichtigt werden. Dazu muß vorher der Statorstrom-Raumzeiger
des Maschinenmodells berechnet und dann zu Strangwerten i ^_a, i ^_b, i ^_c umgeformt werden.
Um den Statorstrom-Modellraumzeiger
und alle anderen benötigten 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 Schalthandlungen 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 Berechnungsspiels ist nicht nur der zukünftige Wert des Statorstrom-Modellraumzeigers
am Ende des gerade begonnenen Modulationsspiels bekannt, aus dem errechneten Pulsmuster kann auch der nächste Zwischenwert des Statorstrom-Modellraumzeigers
, der am Ende des nächsten Berechnungsspiels auftreten 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 erfaßt und am Koordinatenwandler 8 umgeformt zur Verfügung stehen, vergeht üblicherweise eine weitere Totzeit mit der Dauer T_c oder einem kleinen Vielfachen dieser Dauer. Diese Effekte werden in 2 durch die Totzeitglieder 10 und 12 symbolisch berücksichtigt. Unabhängig von der Zahl N der Berechnungszyklen, die in einem Modulationszyklus liegen, kann in jedem Berechnungszyklus der neue Wert des Statorstrom-Istraumzeigers
der gemessenen Maschinenströme mit dem zugeordneten Statorstrom-Modellraumzeiger
der Ströme des Maschinenmodells verglichen werden, der bereits einige Rechenzyklen zuvor berechnet und abgespeichert wurde, was in 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-Raumzeiger
und des Statorstrom-Modellraumzeigers
ein ebenfalls um T_Σ zurückliegender (Totzeitglied 16) konjugiert kom plexer Wert des als Bezugsgröße gewählten Raumzeigers
benutzt, um in den Multipliziergliedern 18 und 20 gemäß Gleichung (3) die Größen
zu bilden, so stimmen die Wirkgrößen WG und WG ^ mit den Drehmomenten von realer Maschine DM und Maschinenmodell direkt überein bzw. bis auf einen gleichen Faktor überein.
Zur Adaption des Parameters Rotorgeschwindigkeit ω ^ des Maschinenmodells wird ein Ausgleichsregler 22 vorgesehen, dessen Eingangsgröße, die Regelabweichung Δ⊥, im Vergleicher 24 gebildet wird. Normalerweise sind die den Drehmomenten entsprechenden Größen WG und WG ^ selbst im stationären Betrieb zeitlich nicht konstant, weil die Eingangsspannungen für reale Maschine und für das Maschinenmodell pulsmoduliert verlaufen. 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 Nachstellzeit 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 Mittelwert
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 Verlauf des Raumzeigers der Eingangsspannungen zu gewährleisten, können über ein Meßglied 26 die über ein Modulationsspiel gebildeten Mittelwerte der drei Ausgangsspannungen e _aM, e _bM und e _cM des Stromrichters SR gemessen und als Istwerte für drei Spannungskorrektur-Regelungen verwendet werden, wobei allerdings wiederum eine Totzeit auftritt, die in 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 Abhängigkeit von den Flußverkettungen, üblicherweise wird aber nur die Abhängigkeit der Grundschwingungsinduktivität L_μf vom Betrag des Raumzeigers
berücksichtigt, weil eine genaue Nachbildung der augenblicklichen Magnetisierungsströme i_μa,b,c abhängig von den Augenblickswerten der Flußverkettungen zu aufwendig ist. Da die Magnetisierungsströme i_μa,b,c aber keinen Beitrag zum Drehmoment liefern, solange der Raum zeigt der Magnetisierungsströme
richtungsgleich mit dem Raumzeiger
der Rotorflußverkettung bleibt, haben Unterschiede zwischen den Magnetisierungsstrom-Raumzeigern
und
keinen Einfluß auf die Regelabweichung Δ⊥ und damit auch nicht auf den Zeitverlauf der Ausgangsgröße Rotorwinkelgeschwindigkeit ω ^ des Ausgleichsreglers 22.
Durch die bisher geschilderten maßnahmen wird sichergestellt. daß die Statorstromkomponenten
und
der realen Drehstrommaschine DM und des Maschinenmodells dynamisch gut und stationär nahezu ideal übereinstimmen, wenn das durch Adaption des Parameters Rotorwinkelgeschwindigkeit ω ^ im Maschinenmodell möglich ist. Bei extrem niedrigen Ständerfrequenzen werden bei vorgegebener Spannung die Ströme der realen Maschine DM und auch die des Maschinenmodells stationär praktisch nur durch die Parameter Statorwiderstand R_s und R ^_S bestimmt. Der Statorwiderstand R_s ändert sich sehr stark mit der Wicklungstemperatur, so daß, wenn der Modellwert den Statorwiderständen R_S nicht nachgeführt wird, die Regelabweichung Δ⊥ am Eingang des Ausgleichsreglers 22 nicht gleich Null ist, selbst wenn die Modell-Rotorwinkelgeschwindigkeit ω ^ und die Rotorwinkelgeschwindigkeit ω übereinstimmen. Das heißt, eine korrekte Bestimmung von der Modell-Rotorwinkelgeschwindigkeit ω ^ ist dann nicht möglich.
Da durch Verstellen des Parameters Modell-Rotorwinkelgeschwindigkeit ω ^ nichts daran geändert wird, daß die Spannungen der realen Maschine DM und des Maschinenmodells so gut wie technisch möglich übereinstimmen, bleibt bei extrem kleinen Statorfrequenzen die Regelabweichung Δ⊥ so lange von Null verschieden, wie Unterschiede zwischen dem Statorwiderstand R_s und dem Modell-Statorwiderstand R ^_S bestehen.
Erfindungsgemäß wird es durch den Vergleich des bisher nicht benutzten Blindmomentes BG ^ und BG möglich, diesen Mangel zu beseitigen. Stimmen die Parameter Statorwiderstand R_s und Modell-Statorwiderstand R ^_S z.B. bei extrem niedrigen Frequenzen nicht überein, so führt das bei gleichen Spannungen nicht nur zu Unterschieden bei den drehmomentbildenden Stromkomponenten
und
der realen Maschine DM und des Maschinenmodells, sondern ebenso zu Differenzen zwischen den flußbildenden Stromkomponenten
und
der realen Maschine DM und des Maschinenmodells und damit auch zur Ungleichheit der Blindmomente BG und BG ^. Bildet man die Differenz Δ∥⁣ in einem weiteren Vergleicher 30, so kann über einen weiteren Ausgleichsregler 32 der Parameter Modell-Statorwiderstand R ^_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 P ^_S der Statorleistung P ^_S multipliziert werden, wozu das Multiplizierglied 34 vorgesehen ist.
Bei mittleren und großen Ständerfrequenzen kann es zweckmäßig sein, die Verstärkungswirkung des Reglers 32 zu verringern.
Die 3 zeigt ein Blockschaltbild eines bekannten vollständigen Maschinenmodells. Das vollständige Maschinenmodell weist mehrere Multiplizierer 36, 38, 40, 42, 44 und 46, zwei Vergleicher 48 und 50, zwei Addierglieder 52 und 54 und zwei Integrierglieder 56 und 58 auf. Diesem vollständigen Maschinenmodell werden zwei Eingangsgrößen, nämlich ein Stromrichter-Ausgangsspannungs-Raumzeiger
und ein Schätzwert
der Rotorwinkelgeschwindigkeit und die Systemparameter Statorwiderstand R_S, Rotorwiderstand R_r, Magnetisierungsinduktivi tät L_μ und Streuinduktivität L_σ zugeführt. Aus diesen Vorgabewerten berechnet das vollständige Maschinenmodell die Raumzeiger der Ständerflußverkettung
, der Rotorflußverkettung
und des Statorstromes
. Der Statorstrom-Modellraumzeiger
wird zur Berechnung von Schaltvariablen S_a, S_b und S_c mittels eines nicht näher dargestellten Modulators der Signalverarbeitung 2 verwendet, wodurch die inneren stromabhängigen Spannungsabfälle des Stromrichters SR berücksichtigt werden können.
Als komplexe Bezugsgröße
die zur Aufspaltung des Statorstrom-Modellraumzeigers
und des Statorstrom-Istraumzeigers
benötigt wird, kann entweder der Raumzeiger der Ständerflußverkettung
oder der Raumzeiger der Rotorflußverkettung
oder der komplexe Wert des Einheitsraumzeigers
in Richtung des Rotorfluß-Raumzeigers
verwendet werden. Da gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren die konjugiert komplexe Bezugsgröße
verwendet wird, müssen die Flußverketkettungen
und
in konjugiert komplexe Flußverkettungen
und
gewandelt werden.
Wie diesem Blockschaltbild zu entnehmen ist, ist der Multiplizierer 36 eingangsseitig mit einem Eingang für den Parameter R ^_S des Maschinenmodells und einem Ausgang des Addiergliedes 52 und ausgangsseitig mit einem Vergleicher 48 ver bunden, an dessen nichtinvertierendem Eingang der Stromrichter-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 Maschinemodells verbunden. Ausgangsseitig ist der Multiplizierer 38 mit dem Addierglied 52 verbunden, dessen zweiter Eingang mittels des Multiplizierers 40 einerseits mit dem Ausgang des Vergleichers 50 und andererseits mittels eines weiteren Multiplizierers 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 Statorwiderstand R ^_S, der Reziprokwert der Magnetisierungsinduktivität 1/L ^_μ und der Reziprokwert der Streuinduktivität 1/L ^_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 Addiergliedes 54 verknüpft. Am zweiten Eingang des Multiplizierers 46 steht der Faktor j und am zweiten Eingang des Multiplizierers 44 der Schätzwert ω ^ der Rotorwinkelgeschwindigkeit an. Der Ausgang des Addiergliedes 52, an dem der Statorstrom-Modellraumzeiger
ansteht, ist außerdem mit einem weiteren Ausgang des vollständigen Maschinenmodells verbunden.
Mit Hilfe dieses bekannten vollständigen Maschinenmodells kann man in Abhängigkeit eines ermittelten Spannungs-Raumzeigers
des Stromrichters SR und einem Schätzwert ω ^ 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 benötigt, wodurch die Nachteile bei Inbetriebnahme oder Störungssuche bei einem vollständigen Maschinenmodell nicht auftreten.

Claims

Verfahren zur Bestimmung einer Drehzahl (ω) einer geberlosen, feldorientiert betriebenen Drehfeldmaschine (DM), wobei mittels eines vollständigen Maschinenmodells und in Abhängigkeit gemessener Stromrichter-Ausgangsspannungswerte (e _aM, e _bM, e _cM) und Systemparameter (L ^_μ, L ^_σ, R ^_S, R ^_r/L ^_σ, ω ^) ein Statorstrom-Modellraumzeiger
und ein konjugiert komplexer Bezugsraumzeiger
berechnet werden, die derart zeitlich verschoben werden, daß diese zeitgleich mit einem ermittelten Statorstrom-Raumzeiger
sind, wobei dieser Statorstrom-Istraumzeiger
und der berechnete Statorstrom-Modellraumzeiger
jeweils mit dem konjugiert komplexen Bezugsraumzeiger
multipliziert werden, wobei jeweils die Imaginäranteile (WG ^, WG) der berechneten Produkte miteinander verglichen werden, wobei eine daraus ermittelte Regelabweichung (Δ⊥) derart zur Verstellung des Systemparameters Rotorwinkelgeschwindigkeit (ω ^) verwendet wird, daß die ermittelte Regelabweichung (Δ⊥) zu Null wird, wobei jeweils die Realanteile (BG ^, BG) der berechneten Produkte miteinander verglichen werden und wobei eine daraus ermittelte Regelabweichung (Δ∥⁣) derart zur Verstellung des Systemparameters Statorwiderstand (R ^_S) verwendet wird, daß die ermittelte Regelabweichung (Δ∥⁣) zu Null wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die ermittelte Regelabweichung (Δ∥⁣) des Realanteils (BG ^, BG) mit dem Vorzeichen (sign P ^_S) einer im Maschinenmodell berechneten Statorleistung (P ^_S) multipliziert wird.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit einer Signalverarbeitung (2), die unter anderem ein vollständiges Maschinenmodell enthält, wobei ein Ausgang dieser Signalverarbeitung (2), an dem der konjugiert komplexe Bezugsraumzeiger
ansteht, mittels eines Totzeitgliedes (16), mit einem Eingang eines ersten und zweiten Multiplizierers (18, 20) und ein Ausgang dieser Signalverarbeitung (2), an dem der Statorstrom-Modellraumzeiger
ansteht, mittels eines Totzeitgliedes (14) mit einem zweiten Eingang des ersten Multiplizierers (18) verbunden ist, wobei der zweite Eingang des zweiten Multiplizierers (20) mittels eines Koordinatenwandlers (8) mit vorgeschaltetem Totzeitglied (12) mit einem Ausgang eines Strom-Meßgliedes (6) verbunden ist, wobei die Ausgänge dieser Multiplizierer (18, 20), an denen die Imaginäranteile (WG ^, WG) der berechneten Produkte anstehen, mit einem Vergleicher (24) verknüpft sind, der ausgangsseitig über einen Ausgleichsregler (22) mit einem Parametereingang für die Rotorwinkelgeschwindigkeit der Signalverarbeitung (2) verknüpft ist und wobei die Ausgänge dieser beiden Multiplizierer (18, 20), an denen die Realanteile (BG ^, BG) der berechneten Produkte anstehen, mit einem weiteren Vergleicher (30) verknüpft sind, der ausgangs seitig über einen weiteren Ausgleichsregler (32) mit einem weiteren Parametereingang für den Statorwiderstand der Signalverarbeitung (2) verknüpft ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei zwischen dem Ausgang des weiteren Vergleichers (30) und dem weiteren Ausgleichsregler (32) ein Multiplizierer (34) angeordnet ist, dessen zweiter Eingang mit einem Ausgang des Maschinenmodells verknüpft ist, an dem ein Vorzeichensignal (sign P ^_S) ansteht.
Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei diese Vorrichtung in einem Prozessor integriert ist.