DE19612988A1 - Determining the flux space vector position in coordinate system relative to stator for determining switching conditions for pulse inverter of induction motor - Google Patents
Determining the flux space vector position in coordinate system relative to stator for determining switching conditions for pulse inverter of induction motorInfo
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Abstract
Description
In DE 42 25 397 wird ein Verfahren zur Selbstregelung einer umrichtergespeisten Drehstrommaschine vorgeschlagen, bei dem mit Mitteln der Fuzzy-Logik die Schalt zustände eines 6-Pulswechselrichters aus der Lage des Ständerflußraumzeigers für eine vorgegebene Pulsperiode und deren Einschaltzeiten bestimmt werden.DE 42 25 397 describes a method for the self-regulation of a converter-fed device Three-phase machine proposed in which the switching by means of fuzzy logic states of a 6-pulse inverter from the position of the stator flow space pointer for one predefined pulse period and their switch-on times can be determined.
Das Ergebnis des dort beschriebenen Fuzzy-Reglers sind die linguistisch beschriebenen Spannungsvektoren mit ihren Einschaltzeiten. Die linguistische Beschreibung bezieht sich immer allgemein auf die Wirkung des jeweiligen Spannungsvektors auf den Stän derflußraumzeiger innerhalb eines von 6 60°-Sektoren im Ständerkoordinatensystem. Die eindeutige Zuordnung der linguistischen Aussage zu den konkreten Schaltzuständen des Wechselrichters erfordert, den aktuellen Sektor des Ständerflußraumzeigers im ständerfesten Koordinatensystem zu identifizieren. Mit Hilfe dieser Sektornummer kann mit einer Tabelle jedem Spannungsvektor ein Schaltzustand zugeordnet werden.The result of the fuzzy controller described there is that described linguistically Voltage vectors with their on times. The linguistic description relates always generally refer to the effect of the respective voltage vector on the stand the flow space pointer within one of 6 60 ° sectors in the stator coordinate system. The clear assignment of the linguistic statement to the concrete switching states of the inverter requires the current sector of the stator flow space pointer in the to identify the fixed coordinate system. With the help of this sector number A switching state can be assigned to each voltage vector using a table.
Die Einteilung in 6 Sektoren ergibt sich aus der Auswertung der Vorzeichen der dreiphasigen Komponenten des Flußraumzeigers. Die Zuordnung zu einem 60°-Sekto ren resultiert aus den möglichen Kombinationen der Vorzeichen.The division into 6 sectors results from the evaluation of the signs of the three-phase components of the river space vector. The assignment to a 60 ° sector ren results from the possible combinations of the signs.
Üblicherweise sind als Bahnform des Ständerflußraumzeigers 2 Varianten möglich. Zum einen wird eine kreisförmige Bahn des Ständerflußraumzeigers wegen der geringeren Oberschwingungen angewandt und zum anderen ist eine sechseckförmige Bahnform sinnvoll, wenn nur niedrige Schaltfrequenzen bei hohen Drehzahlen zulässig sind.Usually two variants are possible as the path shape of the stator flow space pointer. To the one becomes a circular path of the stator flow space pointer because of the smaller one Harmonics applied and on the other hand is a hexagonal shape sensible if only low switching frequencies are permissible at high speeds.
Die Sektorbestimmung für eine Kreisbahn basiert auf der Transformation der orthogo nalen Ständerflußkomponenten a, b, c mitThe sector determination for a circular path is based on the transformation of the orthogo nalen stator flow components a, b, c with
Die Drehung der Sektorlage um 30° für die Sechseckbahn gelingt mit der Auswertung der β-Flüsse nach Gleichung (2). Im Gegensatz zur üblichen Festlegung, bei der die α- Achse des orthogonalen Bezugssystems mit der a-Achse der dreiphasigen Komponenten gleich gerichtet ist (Fig. 1), werden die β-Flüsse auf die β-Achse bezogen (Fig. 2).The sector position can be rotated by 30 ° for the hexagonal orbit by evaluating the β flows according to equation (2). In contrast to the usual definition, in which the α-axis of the orthogonal reference system is aligned with the a-axis of the three-phase components ( FIG. 1), the β flows are related to the β-axis ( FIG. 2).
Fig. 3 zeigt als Tabelle die Zuordnung der Sektornummern zu den Vorzeichen der Flußkomponenten. Damit werden für Kreis- und Sechseckbahn die in Fig. 4 und Fig. 5 gezeigten Sektoren festgelegt. Diese Definition bildet die Grundlage für die Zuord nungstabellen der Schaltzustände. Fig. 3 shows, as a table, the assignment of the sector numbers to the sign of the flux components. Thus, for circular and Sechseckbahn the sectors shown in Fig. 4 and Fig. 5 are set. This definition forms the basis for the assignment tables of the switching states.
Wie die Darstellungen der Fig. 4 und 5 verdeutlichen, werden kreis- und sechseckför mige Ständerflußtrajektorien durch eine Verschiebung der Sektorlage um 30° und aus einer darauf bezogenen Modifikation der Regeln erzeugt. Die Begründung ist in der unterschiedlichen Nutzung der Schaltmöglichkeiten des Wechselrichters zu suchen. Der für die Führung des Ständerflusses auf einer kreisförmigen Bahn erforderliche Spannungszeiger (Fig. 6) läßt sich mit den diskreten Schaltmöglichkeiten des Sechspuls wechselrichters nur durch eine Modulation von zwei Randvektoren und einem Null vektor erzeugen. Die in Fig. 4 festgelegte Sektorlage gestattet die entsprechende Aus wahl von Spannungsvektoren.As the illustrations of FIGS. 4 and 5 illustrate, are generated and circular-shaped sechseckför Ständerflußtrajektorien by displacement of the sector position by 30 ° and of a related modification of the rules. The reason is to be found in the different use of the switching options of the inverter. The voltage pointer required for guiding the stator flow on a circular path ( FIG. 6) can be generated with the discrete switching options of the six-pulse inverter only by modulating two edge vectors and a zero vector. The sector position defined in FIG. 4 permits the corresponding selection of voltage vectors.
Dagegen kann der Zeiger auf den Kanten eines sechseckförmigen Umlaufs im einfach sten Fall mit nur einem Randvektor und einem Nullvektor (Fig. 7) geführt werden. So liegt es nahe, den Sektor so zu fixieren, daß er mit dem durch die Spannungsvektoren aufgespannten Dreieck übereinstimmt.In contrast, the pointer can be guided on the edges of a hexagonal revolution in the simplest case with only one edge vector and one zero vector ( FIG. 7). So it makes sense to fix the sector so that it coincides with the triangle spanned by the voltage vectors.
Diese relativ grobe Einteilung ist auch Basis anderer Verfahren zur Selbstregelung um richtergespeister Drehfeldmaschinen.This relatively rough classification is also the basis for other self-regulation processes judge-fed induction machines.
In DE-OS 34 38 504 /1/ werden für eine Sechseckbahn des Ständerflußraumzeigers die oben beschriebenen β-Flüsse Zweipunktgliedern zugeführt, deren Ausgangssignale den Schaltzustand des Wechselrichters ergeben. Die beschriebene Sektoridentifikation ist damit implizit enthalten.In DE-OS 34 38 504/1 / for a hexagonal path of the stator flow space pointer The β-fluxes described above are fed to two-point elements, the output signals of which Switching status of the inverter. The sector identification described is thus implicitly included.
In ′IEEE Trans.on Ind. Appl.′ (1986) pp. 820-827 /2/ wird eine schaltende Fluß- und Drehmomentenregelung beschrieben, bei der es möglich ist, den Ständerflußzeiger der Maschine auf einer Kreisbahn zu führen. Die Auswertung der angewandten Mehrpunkt glieder für die Bestimmung-der Schaltzustande liegt ebenfalls die oben beschriebene Sektoridentifikation zu Grunde.In 'IEEE Trans.on Ind. Appl.' (1986) pp. 820-827 / 2 / becomes a switching river and Torque control described in which it is possible to use the stator flux pointer Guide machine on a circular path. The evaluation of the applied multipoint elements for the determination of the switching states is also the one described above Sector identification.
In ′ETZ-Archiv′ (1989) H.1 S.11-16 /3/ wird ein Verfahren zur Führung des Ständer flusses auf einer Kreisbahn vorgeschlagen, welches die bestimmten Sollspannungen durch einen zwischengeschalteten Pulsbreitenmodulator erzeugt.In 'ETZ Archives' (1989) H.1 pp.11-16 / 3 / there is a procedure for the use of the stand Flow proposed on a circular path, which through the specified target voltages generates an intermediate pulse width modulator.
Den Verfahren liegen jedoch analoge Schaltglieder zu Grunde, die bei einer digitalen Realisierung eine sehr hohe Abtastrate erfordern, da die Schwellwerte nie zum erforderli chen Zeitpunkt abgefragt werden können.However, the methods are based on analog switching elements, which are the case with a digital one Realization require a very high sampling rate, since the threshold values are never required Chen time can be queried.
Der Übergang zwischen 2 der oben definierten 6 Sektoren bringt aber bei Anwendung der oben beschriebenen groben Sektoreinteilung, u. U. durch die Veränderung der Spannungs zeigerdefinition, Probleme mit sich, die auf mögliche Fehlschaltungen zurückzuführen sind.However, the transition between 2 of the 6 sectors defined above results in the application of Rough sector division described above, u. U. by changing the voltage pointer definition, problems associated with possible misoperation are.
So verändern sich bei einer kreisförmigen Ständerflußbahn innerhalb eines Sektors die Wirkungen der tangentialen, momentbeeinflussende Komponente als auch der radialen, flußbetragsbeeinflussenden Komponente der Spannung als Gradienten des Ständer flußraumzeigers.So change with a circular stator flow path within a sector Effects of the tangential, torque-influencing component as well as the radial, component influencing the flow amount as the gradient of the stator river space pointer.
Bei einer Sechseckbahn dagegen wirkt der Spannungszeiger bzgl. der Bahn innerhalb eines Sektors immer gleich in radialer und tangentialer Richtung (linearer Bahnabschnitt). Jedoch ist in diesem Bereich der Wechsel auf den Bahnabschnitt des folgenden Sektors von Bedeutung. Die digitale Arbeitsweise des Reglers mit äquidistanten Abtastschritten verhindert im allgemeinen, daß Sektorwechsel und Abtastzeitpunkt zusammenfallen.In contrast, in the case of a hexagonal path, the tension pointer acts with respect to the path within of a sector always the same in the radial and tangential direction (linear path section). However, in this area is the switch to the railway section of the following sector significant. The digital mode of operation of the controller with equidistant sampling steps generally prevents sector change and sampling time from coinciding.
Der Pulsbreitenmodulator in /3/ vermeidet zwar dieses Problem, besitzt aber nur einen eingeschränkten Stellbereich.The pulse width modulator in / 3 / avoids this problem, but has only one restricted adjustment range.
Eine Lösungsmöglichkeit wird mit der Erweiterung eines allgemeineren Fuzzy-Reglers nach DE 42 25 395 durch eine unscharfe Sektoridentifikation (Bestimmung des Sektors des Ständerflußraumzeigers mit Mitteln der Fuzzy-Logik) vorgeschlagen (Fig. 8).One possible solution is proposed with the expansion of a more general fuzzy controller according to DE 42 25 395 by means of an unsharp sector identification (determination of the sector of the stator flow space pointer by means of fuzzy logic) ( FIG. 8).
Dazu werden die Flußkomponenten a, b und c ebenfalls als linguistische Variablen dargestellt, die mit der für die zutreffende Bahnform gültigen Transformationsvorschrift bestimmt werden. Die anhand der Regeln aus Fig. 3 formulierten linguistische Aussagen führen zu Zugehörigkeitswerten für die einzelnen Sektoren. Der aktuelle Flußzeigersektor (max) kann festgelegt werden und mit einem aus den Regeln ermittelten Zugehörigkeits wert belegt werden. Entsprechend bestimmen die Regeln für die angrenzenden Sektoren die Zugehörigkeitswerte für den vorhergehenden (max-1) und den nachfolgenden (max+1) Sektor. Eine neue linguistische Variable (Kategorienklasse) entsteht, die die Lage im interessierenden Bereich eines Sektors beschreibt.For this purpose, the flow components a, b and c are also represented as linguistic variables, which are determined with the transformation rule valid for the relevant path shape. The linguistic statements formulated on the basis of the rules from FIG. 3 lead to membership values for the individual sectors. The current flux pointer sector (max) can be defined and assigned a membership value determined from the rules. Accordingly, the rules for the adjacent sectors determine the membership values for the previous (max-1) and the subsequent (max + 1) sector. A new linguistic variable (category class) is created that describes the situation in the area of interest of a sector.
Die einführend genannte Veränderung der tangentialen und radialen Wirkungen der Spannungszeiger bzgl. einer Kreisbahn wird in Fig. 9 am Beispiel eines Sektorwechsels klar. Die für den aktuellen Sektor (mittlere Matrix Fig. 10) aufgestellten Regeln gelten genau nur für die Sektormitte. Deshalb liegt es nahe, für den Sektorübergangsbereich die Regeln zu modifizieren, um einen "weicheren" Sektorübergang zu realisieren.The introductory change in the tangential and radial effects of the voltage pointers with respect to a circular path becomes clear in FIG. 9 using the example of a sector change. The rules drawn up for the current sector (middle matrix, Fig. 10) only apply to the middle of the sector. It therefore makes sense to modify the rules for the sector transition area in order to realize a "softer" sector transition.
Mit der unscharfen Sektoridentifikation (Fig. 8) wird die linguistische Variable mit den Zugehörigkeitswerten für den aktuellen, den nachfolgenden und den vorangehenden Sektor ermittelt. Um diese dritte linguistische Eingangsgröße (neben der Moment- und Flußregelabweichung), welche die Lage innerhalb eines Sektors beschreibt, wird die Regelmatrix erweitert. Die besondere Situation an den Sektorübergängen findet nun Berücksichtigung. Der aktuelle Sektor gilt allein nur in der Sektormitte. In den anderen Bereichen modifizieren zusätzliche Regeln das Regelverhalten. Die notwendige Er weiterung der Regeln berücksichtigt Fig. 10.With the fuzzy sector identification ( Fig. 8), the linguistic variable with the membership values for the current, the following and the previous sector is determined. The control matrix is expanded to include this third linguistic input variable (in addition to the torque and flow control deviation), which describes the situation within a sector. The special situation at the sector transitions is now taken into account. The current sector is only valid in the middle of the sector. In the other areas, additional rules modify the control behavior. Fig. 10 takes into account the necessary extension of the rules.
Für diese Bahnform gelten vorstehende Aussagen aufgrund des Steuerprinzips nicht. Jedoch kann die unscharfe Sektoridentifikation dazu genutzt werden, um die durch die Abtastung bedingte Totzeit beim Sektorübergang zu kompensieren. Eine analoge Umset zung registriert einen Sektorwechsel immer zum entsprechenden Zeitpunkt, wogegen bei einer digitalen Lösung der Wechsel auch zwischen zwei Abtastpunkten stattfinden kann. Die daraus resultierende verspätete Erkennung kann zu unerwünschten Ausgleichvorgän gen führen.The above statements do not apply to this type of railway due to the tax principle. However, the fuzzy sector identification can be used to identify the sector To compensate for sampling-related dead time at the sector transition. An analog implementation Zung always registers a sector change at the appropriate time, whereas at a digital solution, the change can also take place between two sampling points. The resulting late detection can lead to undesirable compensation lead.
Ein unscharfer Sektorübergang verhindert die verspätete Erkennung und prädiziert den Zeitpunkt des Sektorwechsels, indem der Übergangsbereich als Funktion der Ständer frequenz bestimmt wird (Fig. 11). Die dieses Gebiet charakterisierende Fläche muß somit von dem Bahnstück des Ständerflußraumzeigers Δ aufgespannt werden, welches er bei der aktuellen Ständerfrequenz innerhalb einer Abtastperiode durchlaufen kann.A fuzzy sector transition prevents late detection and predicts the time of the sector change by determining the transition area as a function of the stator frequency ( FIG. 11). The area characterizing this area must therefore be spanned by the path section of the stator flow space pointer Δ, which it can traverse at the current stator frequency within a sampling period.
Bei der Sechseckbahn werden also von der linguistischen Variablen "Sektorlage" (Fig. 8) nur die Zugehörigkeitswerte für den aktuellen und nachfolgenden Sektor benötigt. Die Kategorien der Variablen werden so positioniert, daß der Übergangsbereich eine Funktion der aktuellen Ständerfrequenz ist. Damit kann unter Berücksichtigung der Matrix für den nachfolgenden Sektor (in der Notation des aktuellen Sektors) in der Übergangsperiode gewährleistet werden, daß die Umschaltung auf die nächste Sechseckseite am Sektor übergang erfolgt (siehe Fig. 12).In the case of the hexagonal orbit, only the membership values for the current and subsequent sector are required of the linguistic variable "sector location" ( FIG. 8). The categories of the variables are positioned so that the transition range is a function of the current stator frequency. In this way, taking into account the matrix for the subsequent sector (in the notation of the current sector) in the transition period, it can be ensured that the switchover to the next hexagon side occurs at the sector transition (see FIG. 12).
Die Erfüllungsgrade der Regeln werden nun wie in DE 42 25 395 aus der Aggregation der linguistischen Variablen Betragsregelabweichung des Ständerflusses ΔΨ und der Re gelabweichung des Drehmoments Δm gebildet. Eine zusätzliche Aggregation erfolgt mit Fuzzy-Variablen Sektorlage. Ausgewählt werden nun die 2 aus den Regeln resultierenden Schlußfolgerungen mit den 2 höchsten Erfüllungsgraden h (2-Vektormethode). Die Einschaltzeiten t₁ und t₂ können dann bzgl. einer Schaltperiode T bestimmt werden:The degrees of compliance with the rules are now, as in DE 42 25 395, from the aggregation of the linguistic variables absolute value deviation of the stator flux ΔΨ and the Re gel deviation of the torque Δm formed. An additional aggregation takes place with Fuzzy variables sector location. Now the 2 resulting from the rules are selected Conclusions with the 2 highest fulfillment levels h (2-vector method). The Switch-on times t 1 and t 2 can then be determined with respect to a switching period T:
t₂ = T-t₁ (4)t₂ = T-t₁ (4)
Ausgehend von der soeben erläuterten Defuzzyfizierung mit dem Ergebnis zweier Schaltzeiten, läßt sich das Modulationsregime auf 3 Vektoren erhöhen. In Analogie zur 2-Vektormethode können die Schaltzeiten der 3 Schaltzustände mit den höchsten Erfül lungsgraden ermittelt werden (3-Vektormethode). Der Vergleich für h₃ = 0 und n = 1 bestätigt die Analogie beider Beziehungen für die direkte Bestimmung der Schaltzeiten aus den Wahrheitswerten.Based on the defuzzification just explained with the result of two Switching times, the modulation regime can be increased to 3 vectors. In analogy to 2-vector method can achieve the switching times of the 3 switching states with the highest fulfillment degrees of determination can be determined (3-vector method). The comparison for h₃ = 0 and n = 1 confirms the analogy of both relationships for the direct determination of the switching times from the truth values.
Die 3-Vektormethode ist vorrangig für die Kreisbahn anzuwenden, da die Modulation der Bahn aus 2 Randvektoren der Spannung und einem Nullvektor erfolgt. Außerdem können nur so die Vorteile der unscharfen Sektoridentifikation zum Tragen kommen (Berücksichtigung der Regeln der benachbarten Sektoren).The 3-vector method is primarily used for the circular path, since the modulation the path is made up of 2 edge vectors of tension and a zero vector. Furthermore this is the only way to take advantage of the blurred sector identification (Taking into account the rules of neighboring sectors).
Dagegen ist die Anwendung der 2-Vektormethode für die Sechseckbahn im Normalfall vorteilhafter, da die Bann aus einem Randvektor und einem Nullvektor der Spannung gebildet wird. Jedoch muß für den unscharfen Sektorübergang gewährleistet sein, daß für diese Übergangsperiode (in der der Sektorwechsel erfolgt) von der 2-Vektormethode auf die 3-Vektormethode gewechselt wird, da für diesen Bereich der Nullvektor sowie zwei Randvektoren ("Fluß vorwärts konstant" (Randvektor) des aktuellen und des nachfolgenden Sektors) zu schalten sind. Mit den oben genannten Gleichungen der Defuzzyfizierung ist dies problemlos möglich.In contrast, the use of the 2-vector method for the hexagonal orbit is normally more advantageous since the spell of an edge vector and a zero vector of the voltage is formed. However, the blurred sector transition must ensure that for this transition period (in which the sector change takes place) from the 2-vector method switch to the 3-vector method, since the zero vector and two boundary vectors ("flow forward constant" (boundary vector) of the current and the following sector) are to be switched. Using the equations above Defuzzification is easily possible.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren der unscharfen Sektoridentifikation ergeben sich die folgenden Vorteile:Result from the unsharp sector identification method according to the invention yourself the following benefits:
- 1. Verhinderung von Fehlschaltungen in der Nähe des Sektorübergangsberei ches, die aus Veränderung der Wirkung der Spannungsvektoren auf den Ständer flußraumzeiger bei einer kreisförmigen Flußbahn resultieren.1. Prevention of mis-switching near the sector transition area ches that result from changing the effect of the voltage vectors on the stand flow space pointers result in a circular flow path.
- 2. Genaue Prädiktion des Zeitpunkts des Sektorwechsels bei einer Sechseckbahn des Ständerflußraumzeigers innerhalb eines Abtastschritts.2. Precise prediction of the time of the sector change for a hexagonal orbit of the stator flow space pointer within one sampling step.
- 3. Längere Abtastzeiten der Regelung sind möglich, ohne störende Ausgleichs vorgänge.3. Longer sampling times of the control are possible without disturbing compensation operations.
Die im vorherigen Beschreibungstext aufgeführten Figuren zeigen im einzelnen:The figures shown in the previous description show in detail:
Fig. 1 Transformation für eine Kreisbahn des Ständerflußraumzeigers, Fig. 1 transformation for a circular path of the stator flux,
Fig. 2 Transformation für eine Sechseckbahn des Ständerflußraumzeigers, Fig. 2 transform for an Sechseckbahn of the stator flux,
Fig. 3 Zuordnungstabelle der Sektornummern zu den dreiphasigen Flußkomponenten, Fig. Allocation table 3, the sector numbers to the three-phase flux components,
Fig. 4 Sektoreinteilung für eine Kreisbahn des Ständerflußraumzeigers, Fig. 4 sector classification for a circular path of the stator flux,
Fig. 5 Sektoreinteilung für eine Sechseckbahn des Ständerfluß raumzeigers, Fig. 5 for a sector classification Sechseckbahn of the stator flux space vector,
Fig. 6 Schaltmöglichkeiten eines 6-Pulswechselrichters innerhalb eines Sektors für eine Kreisbahn des Ständerflußraumzeigers, Fig. 6 switching capabilities of a 6-pulse inverter within a sector of a circular path of the stator flux,
Fig. 7 Schaltmöglichkeiten eines 6-Pulswechselrichters innerhalb eines Sektors für eine Sechseckbahn des Ständerflußraumzeigers, Fig. 7 switching capabilities of a 6-pulse inverter within a sector of the stator flux for a Sechseckbahn,
Fig. 8 Unscharfe Sektoridentifikation, Fig. 8 Blurred sector identification,
Fig. 9 Sektorwechsel Kreisbahn, Fig. 9 sector alternating circular path,
Fig. 10 Erweiterung der Regelbasis bei einer Kreisbahn, Fig. 10 extension of the rule base in a circular path,
Fig. 11 Sektorwechsel Sechseckbahn, Fig. 11 sector change Sechseckbahn,
Fig. 12 Erweiterung der Regelbasis bei einer Sechseckbahn. Fig. 12 Extension of the rule base for a hexagonal track.
Claims (9)
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1996
- 1996-03-22 DE DE19612988A patent/DE19612988A1/en not_active Withdrawn
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