DE19640591C1 - Torque regulation method for induction machine - Google Patents

Torque regulation method for induction machine

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Abstract

The torque regulation method determines the actual flux value and the sector of the complex flux plane in which the flux vector lies. The flux amplitude is compared with a required value and the calculated machine torque is compared with a required torque, for calculating a voltage vector for reducing the disparities between the compared values. The flux characteristic during the switching in of the machine with the calculated voltage vector is used for providing a zero vector, used for the remainder of the remainder of the cycle time .

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Fluß- und Drehmomentregelung einer Drehfeldmaschine gemäß dem Anspruch 1.The invention relates to a method for flow and torque control Rotary field machine according to claim 1.

AufgabenstellungTask

Der Fluß und das Drehmoment einer Drehfeldmaschine sollen mit festgelegter Zykluszeit durch direkte Drehmomentregelung unabhängig voneinander geregelt werden. Das mittlere Dreh­ moment soll dabei möglichst schnell dem Drehmomentsollwert entsprechen. Dabei soll die mittlere Schaltfrequenz etwa konstant auf der vom Pulswechselrichter (PWR) zulässigen gehalten werden, um die Drehmomentwelligkeit gering zu halten. Dies ist insbesondere bei hochdynamischen Antrieben wünschenswert, wenn die Umrichter- und Maschinenverluste eine untergeordnete Rolle spielen. Um den Aufwand an analogen Peripheriebausteinen gering zu halten sowie automatische Inbetriebnahmen und Parameteranpassungen vornehmen zu können, ist eine Implementierung als technisches Programm in einem Mikrorechner mit möglichst wenig Peripherie zur analogen Signalverarbeitung vorteilhaft.The flow and the torque of a three-phase machine are supposed to pass through with a defined cycle time direct torque control can be controlled independently. The middle turn torque should correspond to the torque setpoint as quickly as possible. Thereby the average switching frequency is approximately constant at that permitted by the pulse-controlled inverter (PWR) be kept in order to keep the torque ripple low. This is particularly the case with highly dynamic drives are desirable if the converter and machine losses a play a subordinate role. In order to keep the expenditure on analog peripheral components low hold and to be able to carry out automatic commissioning and parameter adjustments, is an implementation as a technical program in a microcomputer with as much as possible little peripheral for analog signal processing advantageous.

Stand der TechnikState of the art

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Einrichtung zur Regelung einer Dreh­ feldmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a method and a device for controlling a rotation Field machine according to the preamble of claim 1.

Zur Speisung von Drehfeldmaschinen, deren Moment sich in einem weiten Drehzahlbereich hochdynamisch auf gewünschte Werte einstellen läßt, werden meist PWR mit konstanter Ein­ gangsgleichspannung eingesetzt. Bei einer Maschine mit drei Strängen (u, v, w) und zwei Schaltern pro Strang ergeben sich acht verschiedene zulässige Schaltzustände. Diese können nach Transformation in ein zweisträngiges System (a, b) als Raumzeiger dargestellt werden. Sechs dieser Spannungsraumzeiger (SR) spannen ein regelmäßiges Sechseck auf die beiden anderen sind Nullvektoren (NV), stellen somit einen Klemmenkurzschluß der Maschine dar. Zur Regelung der Maschine müssen diese acht möglichen Schaltzustände des PWR abwech­ selnd derart gewählt werden, daß sich das gewünschte Betriebsverhalten ergibt. Verfahren, die hochdynamischen Anforderungen gerecht werden, bestimmen dazu mit den magnetischen Fluß in der Maschine. Darauf baut dann ein Verfahren zur Regelung des Drehmoments auf. Die Unterscheidung zwischen flußbildenden und drehmomentbildenden Größen wurde von [6] und [1] eingeführt.For feeding induction machines whose momentum is in a wide speed range can be set highly dynamic to desired values, PWR are usually with constant on DC voltage used. For a machine with three strands (u, v, w) and two Switches per line result in eight different permissible switching states. these can after transformation into a two-strand system (a, b) are represented as space pointers. Six of these voltage space pointers (SR) span a regular hexagon on the two others are zero vectors (NV), and therefore represent a terminal short circuit of the machine. To control the machine, these eight possible switching states of the PWR must alternate be selected so that the desired operating behavior results. Procedures that To meet highly dynamic requirements, determine with the magnetic flux in the machine. A method for regulating the torque is then based on this. The Differentiation between flux-forming and torque-forming quantities was made by [6] and [1] introduced.

Bekannte VerfahrenKnown procedures

Die zahlreichen Verfahren lassen sich in drei große Gruppen einteilen:The numerous processes can be divided into three large groups:

1. Verfahren mit Modulatoren1. Method with modulators

Zu dieser Gruppe gehört insbesondere die klassische feldorientierte Regelung in analoger Technik nach [6], [1] oder als Implementierung mit Mikrorechner [5]. Diese Verfahren ermitteln aus gemessenen Strömen, Klemmenspannungen, Rotorposition und -geschwindigkeit den Rotorflußraumzeiger. Dessen Winkellage wird zur Transformation in ein feldorientiertes Koordinatensystem (x, y) herangezogen. Das Drehmoment ergibt sich aus der senkrecht zum Rotorfluß liegenden Ständerstromkomponente und dem Flußbetrag. Durch separate Fluß- und Drehmomentregler werden die Sollwerte für flußbildende und drehmomentbildende Strom­ komponenten ermittelt. Aus diesen bilden die - meist linearen - Stromregler einen Soll­ spannungsraumzeiger, charakterisiert durch Spannungsbetrag und -winkel. Dieser SR wird anschließend von einem Modulator, z. B. Pulsweitenmodulator (PWM), durch abwechselndes Schalten der acht möglichen Schaltzustände des PWR nachgebildet. Pulsweitenmodulatoren arbeiten typischerweise mit einer konstanten Periodendauer. Diese wird einmalig nach den zulässigen Grenzen des Umrichters oder anderen technischen Kriterien wie z. B. den Verlusten festgesetzt.This group includes the classic field-oriented control in analog Technology according to [6], [1] or as an implementation with a microcomputer [5]. This procedure determine from measured currents, terminal voltages, rotor position and speed the rotor flow space pointer. Its angular position is used for transformation into a field-oriented Coordinate system (x, y) used. The torque results from the perpendicular to the Rotor flux lying stator current component and the amount of flow. Through separate river and Torque controllers are the setpoints for flux-forming and torque-forming current components determined. From these, the - mostly linear - current regulators form a target Stress space pointer, characterized by the amount and angle of stress. This SR will then from a modulator, e.g. B. pulse width modulator (PWM), by alternating Switching of the eight possible switching states of the PWR simulated. Pulse width modulators  typically work with a constant period. This will be unique after the permissible limits of the converter or other technical criteria such as B. the losses fixed.

Die linearen Stromregler mit nachgeschaltetem Modulator können auch durch Stromhyste­ reseregler ersetzt werden.The linear current regulator with a downstream modulator can also be caused by current hysteria reseregler to be replaced.

2. Direkte Verfahren2. Direct procedure

Direkte Verfahren arbeiten in der Regel ständerflußorientiert. Ein derartiges Verfahren und eine derartige Einrichtung sind aus [4] bekannt. Die aus gemessenen Strömen und Klemmen­ spannungen ermittelten Werte für Fluß und Drehmoment werden durch Schaltregler (Zwei-/Dreipunktregler, mit/ohne Hysterese) mit den Sollwerten verglichen. Mit den logischen Ausgängen der Komparatoren wird über Schalttabellen direkt der nächste Schaltzustand fest­ gelegt. Zu diesen Verfahren gehören sowohl die Direkte Selbstregelung [3] als auch das Verfahren nach Takahashi und Noguchi [11].Direct processes generally work in a flow-oriented manner. Such a method and such a device is known from [4]. The from measured currents and terminals Values for flux and torque are determined by switching regulators (Two / three-point controller, with / without hysteresis) compared with the setpoints. With the logical Outputs of the comparators determine the next switching state directly via switching tables placed. These procedures include both direct self-regulation [3] and that Takahashi and Noguchi method [11].

Eine besondere Form direkter Verfahren stellt [7] dar. Aus einer Verknüpfung von Wichtungsfunktionen ("Fuzzy-Logik") für Fluß und Drehmoment werden Schaltzustände ausgewählt und deren Schaltdauern anteilig über eine Periodendauer bestimmt. Dieses Verfahren liegt dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zugrunde.A special form of direct procedure is [7]. From a combination of Weighting functions ("fuzzy logic") for flux and torque become switching states selected and their switching times determined proportionally over a period. This method is based on the preamble of claim 1.

3. Prädiktive Verfahren3. Predictive procedures

Bei diesen Verfahren wird für Fluß und Drehmoment ein Toleranzgebiet vorgegeben. Als nächster Schaltzustand wird derjenige gewählt, der die maximale Verweildauer in dem vorge­ gebenen Toleranzgebiet ermöglicht. Dazu ist ausgehend vom aktuellen Zustand der Maschine eine Prädiktion des Stromverlaufs bis zum Erreichen der Toleranzgrenzen notwendig (z. B. [7], [10], Übersicht in [9]).In this method, a tolerance range is specified for flux and torque. As The next switching state is the one selected that has the maximum dwell time in the pre given tolerance range. This is based on the current state of the machine a prediction of the current curve is necessary until the tolerance limits are reached (e.g. [7], [10], overview in [9]).

Diskussion der aufgezählten VerfahrenDiscussion of the procedures listed 1. Verfahren mit Modulatoren1. Method with modulators

Diese Verfahren benötigen typischerweise einen hohen Aufwand an Signalverarbeitung zur Feldorientierung. Die Verfahren zur Rotorflußbeobachtung sind bei vertretbarem Aufwand zudem sehr parameterempfindlich [12]. Die feldorientierte Regelung reagiert empfindlich auf Orientierungsfehler. Das Verfahren wird vielfach angewendet, weil ein nachgeschalteter Mo­ dulator bei vertretbarem Rechenaufwand relativ hohe Schaltfrequenzen ermöglicht und die damit verbundenen Vorteile wie z. B. niedrige Drehmomentpulsationen aufweist.These methods typically require a lot of signal processing Field orientation. The processes for rotor flux monitoring are reasonable also very sensitive to parameters [12]. The field-oriented control is sensitive Orientation error. The method is widely used because a Mo allows relatively high switching frequencies with reasonable computing effort and the related benefits such as. B. has low torque pulsations.

Mit einem Sollwert für eine Periode des PWM sind die nächsten - meist bis zu sechs - Schalt­ handlungen festgelegt. Daraus ergibt sich eine bezogen auf die Schaltfrequenz lange Totzeit, bis der nächste Sollwert berücksichtigt werden kann.With a setpoint for one period of the PWM, the next - usually up to six - are switching actions set. This results in a long dead time in relation to the switching frequency, until the next setpoint can be taken into account.

Ein Stromhystereseregler kann schneller auf Sollwertsprünge reagieren als lineare Stromregler mit nachgeschaltetem PWM. Während aber der PWM je nach Realisierung meist eine kon­ stante Schaltfrequenz aufweist, kann diese bei einem Stromhystereseregler abhängig vom Betriebszustand stark schwanken. Um die vom PWR erlaubte Schaltfrequenz auszunutzen, muß die Hysteresebreite so nachgeführt werden, daß sich die gewünschte mittlere Schaltfre­ quenz ergibt.A current hysteresis controller can react faster to setpoint jumps than linear current controllers with downstream PWM. However, while the PWM usually has a con Constant switching frequency, this can depend on a current hysteresis controller Operating condition fluctuate greatly. To take advantage of the switching frequency permitted by the PWR, the hysteresis width must be adjusted so that the desired average switching fre quenz results.

Da der Modulator in beiden Fällen den Fluß- und Drehmomentregler nicht direkt einbezieht, sind die resultierenden Schaltspiele in der Regel nicht optimal. Die Regler können den schaltenden Charakter des PWR mit festen SR nicht berücksichtigen. Since the modulator does not directly involve the flux and torque controller in either case, the resulting switching cycles are usually not optimal. The controllers can do not take into account the switching character of the PWR with fixed SR.  

2. Direkte Verfahren2. Direct procedure

Jede Schalthandlung wird aus dem aktuellen Betriebszustand und den Sollwerten für Fluß und Drehmoment einzeln abgeleitet. Dazu dienen Hysteresekomparatoren. Bei analogen Kompara­ toren wirken sich Sollwertsprunge sofort auf die Komparatorergebnisse und den daraus ermittelten Schaltzustand aus. So ergibt sich eine geringe Totzeit und eine hohe Dynamik. Dem stehen die typischen Nachteile analoger Schaltungstechnik gegenüber. Inbetriebnahme und Parameteranpassung sind aufwendig. Komplexe Reglerstrukturen und Rechenfunktionen sind nur mit digitalen Systemen zu verwirklichen. Wie bei den Stromhysteresereglern hängt auch hier die Schaltfrequenz sehr stark vom Betriebszustand ab. Deshalb ist, um eine annähernd konstante Schaltfrequenz zu erreichen, eine Nachführung der Hysteresebreite notwendig.Each switching operation is based on the current operating state and the setpoints for flow and Torque derived individually. Hysteresis comparators are used for this. With analog Kompara Setpoint jumps have an immediate effect on the comparator results and the results thereof determined switching state. This results in low dead time and high dynamics. The are contrasted by the typical disadvantages of analog circuit technology. Commissioning and Adjusting parameters is complex. There are complex controller structures and computing functions can only be realized with digital systems. As with the current hysteresis controllers also hangs here the switching frequency is very dependent on the operating state. That is why, to an approximation To achieve a constant switching frequency, it is necessary to adjust the hysteresis width.

Auch bei Implementierungen auf Mikrorechnersystemen erreicht man durch den schnellen Durchgriff des Reglereingangs auf die Schalthandlung eine hohe Dynamik. Dem Vorteil der Flexibilität steht der Nachteil einer größeren Totzeit als bei analogen Realisierungen gegen­ über. Insbesondere bei Maschinen, die für hochdynamische Antriebe konstruiert sind und deshalb geringe Streuinduktivitäten aufweisen, können die Strom- und damit auch die Dreh­ momentanstiegsgeschwindigkeiten so hoch sein, daß die Hysteresebänder unvertretbar groß ausgelegt werden müssen, um innerhalb eines Rechenzyklus eingehalten zu werden. Dieses durch die Rechenzeit bedingte Problem läßt sich durch leistungsfähigere Mikroprozessoren bzw. Signalprozessoren reduzieren. Der damit verbundene Aufwand erscheint aber unver­ hältnismäßig hoch und teuer.In the case of implementations on microcomputer systems, too, the fast Passing through the controller input to the switching action a high dynamic. The advantage of Flexibility is offset by the disadvantage of a longer dead time than in analog implementations about. Especially for machines that are designed for highly dynamic drives and therefore have low leakage inductances, the current and thus the rotation instantaneous rates of rise are so high that the hysteresis bands are unacceptably large must be designed to be adhered to within a computing cycle. This problem caused by the computing time can be solved by more powerful microprocessors or reduce signal processors. The effort involved does not appear to be relatively high and expensive.

Im Verfahren nach [7] verbindet die Wichtungsfunktion den Flußregler mit dem Drehmoment­ regler. Sowohl das stationäre als auch das dynamische Verhalten der Drehmomentregelung sind mit der Flußregelung verknüpft. Ein durch die Flußregelung ausgewählter SR kann zu höheren Drehmomentschwankungen führen als z. B. in [11], [3], wo zudem die Toleranz­ bandbreite festgelegt ist. Die mehrfache Wichtung (Fluß, Drehmoment, Einschaltdauer) ist zudem mit beträchtlichem Rechenaufwand verbunden.In the method according to [7], the weighting function connects the flow controller with the torque regulator. Both the stationary and the dynamic behavior of the torque control are linked to the flow control. An SR selected by the flow control can higher torque fluctuations than z. B. in [11], [3], where also the tolerance bandwidth is set. The multiple weighting (flux, torque, duty cycle) is also connected with considerable computing effort.

3. Prädiktive Verfahren3. Predictive procedures

Prädiktive Verfahren erfordern einen relativ hohen Signalverarbeitungsaufwand im Mikro­ rechner, insbesondere, wenn die Fluß- und Drehmomentregelung in rotorflußorientierten Koordinaten erfolgt. Die Verweildauer im Toleranzgebiet kann sehr stark variieren. Ein Be­ trieb mit etwa konstanter Schaltfrequenz ist deshalb mit Mehraufwand verbunden. Je nach Betriebszustand kann die Verweildauer sehr kurz sein. Der Mikrorechner muß deshalb schnell sein. Die Auswahl eines für die Verweildauer im Toleranzgebiet günstig erscheinenden Span­ nungsraumzeigers ist nicht unbedingt die beste Wahl für das gesamte Regelverhalten.Predictive methods require a relatively high signal processing effort in the micro calculator, especially if the flux and torque control in rotor flux-oriented Coordinates. The length of stay in the tolerance area can vary greatly. A Be drive with an approximately constant switching frequency is therefore associated with additional effort. Depending on The operating status can be very short. The microcomputer must therefore be fast be. The selection of a chip that appears favorable for the length of stay in the tolerance zone space pointer is not necessarily the best choice for the overall control behavior.

Das erfindungsgemäße VerfahrenThe method according to the invention GrundprinzipBasic principle

In [12] sind verschiedene Beobachter bekannt, mit denen der Ständerfluß der Maschine ermit­ telt werden kann. Für das erfindungsgemäße Verfahren geht man am einfachsten von einer Beschreibung der Maschine in ständerfesten Koordinaten aus:
Various observers are known in [12] with which the stator flow of the machine can be determined. For the method according to the invention, it is easiest to start from a description of the machine in fixed coordinates:

Mit einem Integrationsverfahren, z. B. dem Runge-Kutta-Verfahren zweiter Ordnung nach [2], kann dieses Differentialgleichungssystem durch Integration gelöst werden. Je nach Anforderun­ gen an die Genauigkeit und Beschaffenheit des Antriebssystems ist auch die Implementierung eines Zustandsbeobachters denkbar (z. B. nach [12] durch Umformung der Gleichungen, so daß die Flüsse als Zustandsgrößen auftreten). Wesentlich für das Verfahren ist die Ermittlung der Ableitungen der Flüsse (wie in Gl. 1) bzw. im folgenden des Drehmoments.With an integration process, e.g. B. the second-order Runge-Kutta method according to [2], this system of differential equations can be solved by integration. Depending on the requirements Implementation is also important in terms of the accuracy and nature of the drive system of a state observer is conceivable (e.g. according to [12] by transforming the equations, see that the flows occur as state variables). The determination is essential for the procedure the derivatives of the rivers (as in Eq. 1) or in the following the torque.

Das Drehmoment berechnet sich zu
The torque is calculated

Der Ständerfluß soll auf einer kreisförmigen Bahn mit Radius ψsoll gehalten werden. Die Flußänderung läßt sich beschreiben durch die Gleichung:The stator flux is intended on a circular path with a radius of ψ to be maintained. The flow change can be described by the equation:

s = ∫ (u-Rs s)dt (3) s = ∫ (uR s s ) dt (3)

Vernachlässigt man den Spannungsabfall am Ständerwiderstand, so vereinfacht sich die Gleichung zu:If one neglects the voltage drop across the stator resistance, this is simplified Equation to:

s = ∫ dt (4) s = ∫ dt (4)

Fig. 1 illustriert die vom Wechselrichter zur Verfügung gestellten Ausgangsspannungen in ständerfesten Koordinaten (a, b): sechs SR ({1} bis {6}) und zwei NV ({0}, {7}). Fig. 1 illustrates the output voltages provided by the inverter in fixed coordinates (a, b): six SR ({1} to {6}) and two NV ({0}, {7}).

In Fig. 2 ist der angestrebte kreisförmige Flußverlauf und beispielhaft ein Augenblickswert des Flußraumzeigers eingezeichnet. Je nach Lage des Flußraumzeigers der Maschine kann man den zur Auswahl stehenden SR Eigenschaften zuordnen. Die zur Verfügung stehenden SR treiben den Flußraumzeiger nach Gl. 4 in verschiedene Richtungen. Ein Nullraumzeiger ändert den Fluß nur geringfügig. Die tangential zum Kreis verlaufende Komponente der SR beeinflußt das Drehmoment, die Radialkomponente den Fluß. Somit ergibt sich die in Fig. 2 angegebene Zuordnung.In FIG. 2, the desired circular flux flow and an example of a momentary value of the flux is located. Depending on the position of the river area pointer of the machine, you can assign the SR properties to be selected. The available SR drive the river space pointer according to Eq. 4 in different directions. A zero space pointer changes the flow only slightly. The component of the SR running tangential to the circle influences the torque, the radial component influences the flow. This results in the assignment given in FIG. 2.

Die Kreisbahn des Flußraumzeigers kann man in Sektoren einteilen, z. B. sechs wie in Fig. 2. Den Sektor, in dem sich der Flußraumzeiger gerade befindet, erhält man aus dem Vergleich der beiden Flußkomponenten ψa und ψb mittels Komparatoren. Eine Winkelberechnung mit der Arcus-Tangens-Funktion und anschließende Sektorzuordnung mit der Modulo-Funktion ist ebenfalls denkbar.The circular path of the river area pointer can be divided into sectors, e.g. B. six as in Fig. 2. The sector in which the flow space pointer is currently located is obtained by comparing the two flow components ψ a and ψ b by means of comparators. An angle calculation with the arc tangent function and subsequent sector assignment with the modulo function is also conceivable.

Die Regelabweichung des Drehmoments wird ebenfalls einem Komparator zugeführt. Bei mittleren und hohen Geschwindigkeiten ist es sinnvoll, das Vorzeichen der mechanischen Winkelgeschwindigkeit statt des Komparatorausgangs heranzuziehen. In diesem Fall wird bei großen Drehmomentabweichungen, die nicht in einem Regelzyklus ausgeregelt werden kön­ nen, der Komparatorausgang invertiert, um stark drehmomentverändernde SR auszuwählen. Die Regelabweichung des Flusses wird einem Flußkomparator zugeführt.The control deviation of the torque is also fed to a comparator. At medium and high speeds it makes sense to use the sign of the mechanical  To use angular velocity instead of the comparator output. In this case, large torque deviations that cannot be corrected in a control cycle the comparator output is inverted to select highly torque changing SR. The control deviation of the flow is fed to a flow comparator.

Die Auswahl der SR erfolgt abhängig von den Komparatorergebnissen (A0, A1) nach folgender Tabelle:The SR is selected depending on the comparator results (A 0 , A 1 ) according to the following table:

Auswahl des SpannungsraumzeigersSelection of the voltage space pointer

Auswahl des SpannungsraumzeigersSelection of the voltage space pointer

Das Verfahren basiert auf der Idee, daß im Normalfall immer abwechselnd ein SR und ein NV geschaltet werden können, um den Mittelwert des Drehmoments gleich dem Sollwert zu hal­ ten. Die Schalthandlungen werden jeweils für eine Zykluszeit ΔtZyklus berechnet. Über eine Zykluszeit liegen im Normalfall genau ein SR und genau ein NV, also zwei Schaltzustände, an.The method is based on the idea that normally an SR and an NV can always be switched alternately in order to keep the mean value of the torque equal to the target value. The switching operations are each calculated for a cycle time Δt cycle . Normally, exactly one SR and exactly one NV, i.e. two switching states, are present over a cycle time.

Fig. 3 illustriert das Verfahren über einen Rechenzyklus. Die Einschaltdauern ΔtSR des SR und ΔtNV des NV werden so festgelegt, daß über die Zykluszeit der Drehmomentmittelwert dem Sollwert entspricht. Dies ist in Fig. 3 genau dann der Fall, wenn die gegensätzlich schraffierten Flächen gleich groß sind. Die Flußregelung erfolgt durch Zweipunktregelung, indem von Zyklus zu Zyklus z. B. abwechselnd flußaufbauende und flußabbauende drehmomentbildende SR gewählt werden. Fig. 3 illustrates the process of a computing cycle. The duty cycles .DELTA.t SR of the SR and .DELTA.t NV of the NV are determined so that the torque average corresponds to the setpoint over the cycle time. This is exactly the case in FIG. 3 if the oppositely hatched areas are of the same size. The flow control is carried out by two-point control by z from cycle to cycle. B. alternately flow-building and river-breaking torque-forming SR can be selected.

Eine hinreichend kleine Zykluszeit erlaubt eine lineare Näherung des Drehmomentverlaufs für die Mittelwertbildung. Der Drehmomentmittelwert berechnet sich aus:A sufficiently short cycle time allows a linear approximation of the torque curve for the averaging. The mean torque value is calculated from:

MZyklus= (MSR.ΔtSR + MNV.(ΔtZyklus-ΔtSR))/ΔtZyklus (5)M cycle = (M SR .Δt SR + M NV . (Δt cycle -Δt SR )) / Δt cycle (5)

Man erhält aus der linearen NäherungOne obtains from the linear approximation

MSR = (M(tn)+M(tn + ΔSR))/2 (6)M SR = (M (t n ) + M (t n + Δ SR )) / 2 (6)

und
and

MNV = (M(tn + ΔtSR)+M(tn + ΔtZyklus))/2 (7)M NV = (M (t n + Δt SR ) + M (t n + Δt cycle )) / 2 (7)

Die Drehmomentwerte M(tn + ΔtSR) und M(tn + ΔtZyklus) ergeben sich am einfachsten durch lineare Prädiktion. Man erhält zum Schaltzeitpunkt MSR The torque values M (t n + Δt SR ) and M (t n + Δt cycle ) are most easily determined by linear prediction. M SR is obtained at the switching time

M(tn + ΔtSR) = M(tn) + SR.ΔtSR (8)M (t n + Δt SR ) = M (t n ) + SR .Δt SR (8)

und am ZyklusendeM(tn + ΔtZyklus) = M(tn)+SR.ΔtSR +NV.(ΔtZyklus-ΔtSR) (9)and at the end of the cycle M (t n + Δt cycle ) = M (t n ) + SR .Δt SR + NV . (Δt cycle -Δt SR ) (9)

Die Ableitungen der Flüsse müssen ohnehin zur Integration des Differentialgleichungssystems nach Gl. 1 berechnet werden. Daraus läßt sich die Ableitung des Drehmoments mit der Produktregel berechnen zu:
The derivatives of the rivers must be used anyway to integrate the system of differential equations according to Eq. 1 can be calculated. From this, the derivative of the torque can be calculated using the product rule:

Mit Gl. 10 berechnet man M(tn+) und setzt es für MSR in Gl. 8 ein. Anschließend setzt man Gl. 8 und 9 in Gl. 6 und 7 und diese wiederum in Gl. 5 ein. Als Mittelwert wird für M der Sollwert Msoll angestrebt. Aufgelöst nach der gesuchten Einschaltzeit des SR und nur Zeiten ΔtSR < ΔtZyklus zulassend erhält man:
With Eq. 10 one calculates M (t n +) and sets it for M SR in Eq. 8 a. Then you set Eq. 8 and 9 in Eq. 6 and 7 and these in turn in Eq. 5 a. The target value M target is aimed for as the mean value for M. Resolved according to the switch-on time of the SR and only allowing times Δt SR <Δt cycle , you get:

Bei Einschalten eines NV ändert sich die Ableitung des Drehmoments NV bei kurzer Zy­ kluszeit nur wenig. Deshalb kann man einfach mit den im letzten Zyklus berechneten Flüssen und deren Ableitungen (tn-) berechnen und für NV in Gl. 11 einsetzen. Eine weitere Mög­ lichkeit besteht darin, NV aus den Drehmomentwerten zu Ein- und Ausschaltzeitpunkt des letzten NV sowie seiner Einschaltdauer zu bestimmen.When switching on an NV, the derivative of the torque NV changes only slightly with a short cycle time. Therefore, one can simply calculate with the flows calculated in the last cycle and their derivatives (t n -) and for NV in Eq. Insert 11. Another possibility is to determine NV from the torque values at the time the last NV was switched on and off, as well as its duty cycle.

Der nach dem SR (bzw. in Ausnahmefällen NV) einzuschaltende NV wird so ausgesucht, daß möglichst wenige Wechselrichterzweige umgeschaltet werden müssen. Der NV ergibt sich also abhängig vom vorherigen Schaltzustand gemäß folgender Tabelle:The NV to be switched on after the SR (or in exceptional cases NV) is selected so that as few inverter branches as possible have to be switched. The NV thus results depending on the previous switching status according to the following table:

Zuordnung der Nullvektoren zu vorhergehendem SchaltzustandAssignment of the zero vectors to the previous switching state

Zuordnung der Nullvektoren zu vorhergehendem SchaltzustandAssignment of the zero vectors to the previous switching state

AusnahmebehandlungException handling

Nur wenn die Einschaltzeit des SR oder des NV unzulässig kurz wird, verzichtet das Verfahren auf das Umschalten und läßt einen Schaltzustand über die ganze Zykluszeit anliegen.The procedure is only waived if the switch-on time of the SR or the NV becomes impermissibly short on switching and has a switching status applied over the entire cycle time.

In bestimmten Betriebspunkten kann die am Drehmomentmittelwert orientierte Einschaltdauer der flußbildenden SR über mehrere Zyklen so kurz werden, daß die nach Tabelle 1 ausgewähl­ ten SR den durch die NV abgeschwächten Fluß nicht hinreichend aufbauen. Wenn der Fluß eine kritische Grenze unterschreitet, ist als Sonderbehandlung die Auswahl eines stark flußaufbauenden Vektors nach folgender Tabelle erforderlich: At certain operating points, the duty cycle based on the mean torque value the river-forming SR become so short over several cycles that the one selected according to Table 1 ten SR did not adequately build the river weakened by the NV. If the river falling below a critical limit, the selection of a strong as special treatment flux-building vector required according to the following table:  

Stark flußstützende SpannungsraumzeigerStrong flow-supporting voltage space pointer

Stark flußstützende SpannungsraumzeigerStrong flow-supporting voltage space pointer

Unter Inkaufnahme von kurzen Drehmomentspitzen läßt sich ΔtSR für den stark flußstützenden SR so festlegen, daß der Flußbetrag zu tn + ΔtSR den Sollwert erreicht:
By accepting short torque peaks, Δt SR can be determined for the strongly flow-supporting SR so that the flow amount at t n + Δt SR reaches the setpoint:

Die Ableitung des Flußbetrages ergibt sich dabei mit der Kettenregel:
The flow amount is derived using the chain rule:

Dieser Ausnahmefall kann auch durch Einschalten zweier SR und eines NV, also dreier Schaltzustände innerhalb eines Zyklus, behandelt werden, um weiterhin den Drehmoment­ mittelwert genau zu halten. Wenn die Umschaltungen der dabei gewählten SR in verschiedenen Strängen des PWR erfolgen, ist der Anstieg der Schaltfrequenz für den Umrichter unkritisch, weil die Ströme bei diesem Ausnahmefall deutlich unterhalb des Nennstromes liegen.This exception can also be done by switching on two SRs and one NV, i.e. three Switching states within a cycle, are treated to continue the torque to keep the mean exactly. If the switches of the selected SR in different PWR strands occur, the increase in switching frequency is not critical for the converter, because the currents in this exceptional case are clearly below the nominal current.

Vorzüge der ErfindungAdvantages of the invention

Das erfindungsgemäße Verfahren verbindet eine Reihe von Vorteilen der oben aufgezählten Verfahren (1, 2, 3), ohne deren Nachteile im Hinblick auf die Zielsetzung aufzuweisen:
The method according to the invention combines a number of advantages of the methods (1, 2, 3) listed above, without having their disadvantages with regard to the objective:

  • a) Durch Festlegen einer Zykluszeit für zwei aufeinanderfolgende Schalthandlungen wird die Schaltfrequenz konstant gehalten. Es ist auch möglich, die Zykluszeit an bestimmte Betriebszustände anzupassen, um z. B. eine bestimmte Summenschaltfrequenz einzuhalten.a) By defining a cycle time for two successive switching operations, the Switching frequency kept constant. It is also possible to set the cycle time to certain Adapt operating states to z. B. a certain total switching frequency.
  • b) Die festgelegte Zykluszeit erlaubt eine einfache Auslegung zeitäquidistant arbeitender digitaler Regler auf übergeordneter Ebene, z. B. zur Fluß- und Drehmomentsollwert­ bestimmung. Die Totzeit ist gut kalkulierbar.b) The defined cycle time allows a simple design of time-equidistant working digital controller at a higher level, e.g. B. flux and torque setpoint determination. The dead time is easy to calculate.
  • c) Auf die bei direkten Verfahren schaltfrequenzbestimmende Hysterese und deren Nach­ führung kann verzichtet werden, weil die Schaltfrequenz durch die Zykluszeit bestimmt wird.c) The hysteresis which determines the switching frequency in direct processes and their aftermath guidance can be dispensed with because the switching frequency is determined by the cycle time becomes.
  • d) Durch Prädiktion des Drehmomentverlaufs, Modellrechnung der Maschine und expliziter Berechnung der Schaltzeitpunkte sind keine zusätzlichen analogen Komparatoren und Regler erforderlich.d) By predicting the torque curve, model calculation of the machine and more explicitly Calculation of the switching times are no additional analog comparators and Regulator required.
  • e) Die Berechnung zweier aufeinanderfolgender Schaltzustände (SR und NV) ermöglicht es, einen davon sehr kurz (nur unwesentlich länger als die Interruptlatenzzeit des Mikro­ rechners bzw. Mindesteinschaltdauer der Halbleiter) einzuschalten.e) The calculation of two successive switching states (SR and NV) enables one of them very short (only slightly longer than the interrupt latency of the microphone computer or minimum switch-on time of the semiconductors).
  • f) Die Einbeziehung der Maschinenmodellrechnung bzw. eines Beobachters in die Prädiktion erspart Rechenaufwand, weil die Modellgrößen nicht nur zur Ermittlung des Betriebs­ zustandes, sondern auch im Regler mitverwendet werden.f) The inclusion of the machine model calculation or an observer in the prediction saves computing time because the model sizes are not only used to determine the operation state, but also be used in the controller.
  • g) Insbesondere die Eigenschaften unter a), b), c) und e) prädestinieren das Verfahren zur Implementierung als technisches Programm in einem Mikrorechner.g) In particular, the properties under a), b), c) and e) predestine the process for Implementation as a technical program in a microcomputer.
AusführungsbeispielEmbodiment ÜbersichtOverview

Das Verfahren ist auf eine Realisierung als technisches Programm in einem Mikrorechner­ system mit entsprechender Peripherie ausgelegt.The method is based on an implementation as a technical program in a microcomputer system designed with appropriate peripherals.

Fig. 4 zeigt die Struktur der Gesamtanordnung mit Maschine, Wechselrichter, Meßwerterfassung und Regelungsverfahren im Mikrorechner. Die Funktionsblöcke (Block) (1), (2), (4), (5) und (6) zeigen Einrichtungen, die dem Stand der Technik entsprechen. Der Patentanspruch 1 bezieht sich auf die Einrichtungen in den Blöcken (3) und (7). Der Patentanspruch 2 bezieht sich auf die Einrichtung in Block (8).
Fig. 4 shows the structure of the overall arrangement with motor, inverter, data acquisition and control process in the microcomputer. The function blocks (block) ( 1 ), ( 2 ), ( 4 ), ( 5 ) and ( 6 ) show devices which correspond to the prior art. Claim 1 relates to the devices in blocks ( 3 ) and ( 7 ). Claim 2 relates to the device in block ( 8 ).

Fig. 5 zeigt das Flußdiagramm des im Mikrorechner implementierten technischen Programms zur Realisierung des Ausführungsbeispiels. Fig. 5 shows a flow chart of the microcomputer implemented technical program for realizing the embodiment.

Besonderheiten der Implementierung des AusführungsbeispielsSpecial features of the implementation of the exemplary embodiment

Im Ausführungsbeispiel wurde - wie in Fig. 4 angedeutet - auf die Rückführung der Meß­ größen verzichtet, weil die Parameter der Anlage hinreichend genau bekannt sind, um mit dem implementierten Modell in Block (1) die Funktion des Verfahrens nachzuweisen. Zur Bestimmung der mechanischen Winkelgeschwindigkeit kann man bei bekanntem Last- und Massenträgheitsmoment zu Gl. 1 die Bewegungsdifferentialgleichung hinzufügen:
In the exemplary embodiment, as indicated in FIG. 4, the measurement variables were not fed back because the parameters of the system are known with sufficient accuracy to demonstrate the function of the method with the model implemented in block ( 1 ). To determine the mechanical angular velocity, you can use Eq. 1 add the motion differential equation:

Ablaufprocedure

Die Regelungsroutine ist als Interruptprogramm in einem Signalprozessor realisiert. Nach einer Initialisierungsprozedur wird der Regelungsinterrupt freigegeben. Das Reglerprogramm magnetisiert die Maschine zunächst auf Nennfluß auf. Dies geschieht mit Msoll = 0. Anschließend kann zum Nachweis der Funktion des Verfahrens mit verschiedenen Dreh­ momentvorgaben beschleunigt und abgebremst werden. Eine Geschwindigkeitsregelung ist im einfachsten Fall in einer Hintergrundschleife durch Heranziehen der Modellgeschwindigkeit möglich. Fig. 6 zeigt die Ergebnisse eines Probelaufs.The control routine is implemented as an interrupt program in a signal processor. The control interrupt is released after an initialization procedure. The controller program first magnetizes the machine to the nominal flow. This is done to M = 0. Subsequently, for detecting the function of the method at different rotational speeds and torque requirements are decelerated. In the simplest case, speed control is possible in a background loop by using the model speed. Fig. 6 shows the results of a test run.

Liste der FigurenList of figures

Fig. 1 vom Wechselrichter zur Verfügung gestellte Spannungsraumzeiger Fig. 1 voltage space pointer provided by the inverter

Fig. 2 gewünschte Flußortskurve, Beispiel für Wirkung der Spannungsraumzeiger, Fig. 2 Flußortskurve desired, for example, effect of the voltage space vector,

Fig. 3 linear angenäherter Drehmomentverlauf über einen Zyklus, Fig. 3 linear approximated torque curve over a cycle,

Fig. 4 Strukturbild des Ausführungsbeispiels, Fig. 4 structure diagram of the embodiment,

Fig. 5 Flußdiagramm des Ausführungsbeispiels, Fig. 5 flowchart of the embodiment;

Fig. 6 Probelauf des Ausführungsbeispiels. Fig. 6 trial run of the embodiment.

Literaturverzeichnisbibliography

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[11] Takahashi, I., und Noguchi, T.: "A New Quick-Response and High-Efficiency Control Strategy of an Induction Motor", IEEE Transactions of Industry Applications, Vol. IA- 22, No. 5, Sept./Oct. 1986).[11] Takahashi, I., and Noguchi, T .: "A New Quick-Response and High-Efficiency Control Strategy of an Induction Motor ", IEEE Transactions of Industry Applications, Vol. IA- 22, No. 5, Sept./Oct. 1986).

[12] Zägelein, W.: Drehzahlregelung des Asynchronmotors unter Verwendung eines Beob­ achters mit geringer Parameterempfindlichkeit, Dissertation Erlangen 1984.[12] Zägelein, W .: Speed control of the asynchronous motor using an ob eight with low parameter sensitivity, dissertation Erlangen 1984.

Claims (3)

1. Verfahren zur Regelung einer Drehfeldmaschine, die über einen Pulswechselrichter (PWR) mit eingeprägter Gleichspannung (U-) gespeist wird, mit folgenden Schritten:
  • a) Bilden des Flußistwertes
  • b) Unterteilung der komplexen Flußebene in Sektoren und Bestimmung des Sektors, in dem der Flußraumzeiger liegt.
  • c) Vergleich des Betrags des Flußistwertes mit dem Flußsollwert
  • d) Berechnung des Maschinenmoments
  • e) Vergleich des Drehmomentistwertes mit dem Drehmomentsollwert
  • f) Ermittlung eines Spannungsraumzeigers der geeignet ist, die unter den Schritten c) und e) berechneten Abweichungen zu verringern
  • g) Festlegen einer Zykluszeit
    dadurch gekennzeichnet, daß
  • h) der Verlauf des Drehmoments bei Einschalten des unter Schritt f) ermittelten Spannungsraumzeigers und eines Nullvektors vorhergesagt wird, um daraus
  • i) die Einschaltdauer des unter Schritt f) ermittelten Spannungsraumzeigers so festzu­ legen, daß bei Einschalten des Nullvektors für den Rest der Zykluszeit der Dreh­ momentmittelwert über die gesamte Zykluszeit gleich dem Drehmomentsollwert ist.
1. Method for controlling a three-phase machine that is fed with an impressed DC voltage (U-) via a pulse inverter (PWR), with the following steps:
  • a) Forming the actual flow value
  • b) Subdivision of the complex river level into sectors and determination of the sector in which the river area pointer lies.
  • c) Comparison of the amount of the actual flow value with the desired flow value
  • d) Calculation of the machine torque
  • e) Comparison of the actual torque value with the torque setpoint
  • f) Determination of a voltage space vector which is suitable for reducing the deviations calculated under steps c) and e)
  • g) Define a cycle time
    characterized in that
  • h) the curve of the torque when the voltage space vector determined under step f) and a zero vector is switched on is predicted in order to derive from it
  • i) to determine the duty cycle of the voltage space vector determined in step f) in such a way that when the zero vector is switched on, the torque mean value for the rest of the cycle time is equal to the torque setpoint over the entire cycle time.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Falle einer starken Flußsoll­ wertabweichung als Ergebnis aus Anspruch 1, Schritt c) ein flußregelnder Spannungs­ raumzeiger bevorzugt wird gegenüber dem Ergebnis aus Anspruch 1, Schritt f).2. The method according to claim 1, characterized in that in the case of a strong flow target value deviation as a result of claim 1, step c) a flow regulating voltage space pointer is preferred over the result from claim 1, step f). 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zykluszeit so festgelegt wird, daß
  • a) allgemein die zulässige Summenschaltfrequenz des Stromrichters ausgenutzt wird
    und
  • b) bei niedrigen Drehzahlen die zulässige Schaltfrequenz eines einzelnen Stranges nicht überschritten wird.
3. The method according to claim 1, characterized in that the cycle time is determined so that
  • a) the permissible total switching frequency of the converter is generally used
    and
  • b) the permissible switching frequency of a single strand is not exceeded at low speeds.
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