DE19648534A1

DE19648534A1 - Verfahren zur rotorflußorientierten Regelung eines Asynchronantriebs

Info

Publication number: DE19648534A1
Application number: DE19648534A
Authority: DE
Inventors: Nguyen Phung Dr Ing Quang
Original assignee: Innotas Antriebs und Sich GmbH
Current assignee: BENDER, INES CLAUDIA, 02763 ZITTAU, DE
Priority date: 1996-11-24
Filing date: 1996-11-24
Publication date: 1998-05-28

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur rotorflußorientierten Regelung eines Asynchronantriebes nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Es ist ein Verfahren zur rotorflußorientierten Regelung eines Asynchronantriebes bekannt. Diese bekannte Regelung von Asyn chronantrieben verwendet Werte in einem d-q-Koordinatensystem, welches mit dem Rotorfluß des Asynchronantriebes "mitdreht", wobei die d-Achse in Flußrichtung und die q-Achse quer dazu liegt. Dieses d-q-Koordinatensystem stellt also ein rotorfluß orientiertes Koordinatensystem dar. Der Vorteil eines der artigen Koordinatensystems besteht in der Möglichkeit einer rechentechnischen Umsetzung, die genau arbeitet und keine besonderen Hardwareanforderung stellt.

Bei dieser rotorflußorientierten Regelung werden die Istwerte des Ständerstromes i_su und i_sv gemessen, digitalisiert, daraus i_sw berechnet und mittels einer ersten Koordinatentransforma tion in erste Ständerstromwerte i_sα und i_sβ umgerechnet. Diese Werte werden anschließend mit einer d-q-Koordinatentransforma tion in rotorflußorientierte Ständerstromkomponenten i_sd und i_sq transformiert. Die Ständerstromkomponenten i_sd und i_sq werden als Regelgröße in einer inneren Stromregelung mit getrennten PI-Reglern und angeschlossenem Entkopplungsnetzwerk oder mit einem Strommehrgrößenregler eingesetzt. Die Größen der Aus gänge der PI-Regler oder des Entkopplungsnetzwerkes u_sd und u_sq werden mit einer q-d-Koordinatentransformation in zweite Stän derstromwerte u_sα und u_sβ transformiert, mit denen mittels einer Raumzeigermodulation die Schaltzeiten der phasenbezogenen Betriebsspannung t_u, t_v und t_w als Stellgröße errechnet werden. Dabei werden die Führungsgrößen der inneren Regelung als Stellgröße i_sd* einer Flußregelung und als Stellgröße i_sq* einer Drehzahlregelung ermittelt, indem für die Flußregelung aus den rotorflußorientierten Ständerstromkomponenten i_sd und i_sq und der Winkelgeschwindigkeit ω der Asynchronmaschine der Rotor fluß ψ_rd' als Regelgröße und der Feldwinkel δ_s berechnet wird. Der Feldwinkel δ_s wird zu den d-q-Koordinatentransformationen rückgeführt.

In der Drehzahlregelung ist die Winkelgeschwindigkeit ω der Asynchronmaschine und in der Flußregelung der Rotorfluß ψ'_rd - Regelgröße.

Bei dieser Drehzahlregelung von Asynchronantrieben ist bekann termaßen eine Erfassung der Drehzahl mittels eines Sensors erforderlich, der auch als Drehgeber bezeichnet werden kann. Derartige Drehgeber oder Drehzahlsensoren, wie beispielsweise Tachogeneratoren, Resolver, inkrementale Geber der prinzipiell teuer und empfindlich gegen von außen einwirkende Einflüsse, wie Hitze, magnetische Störungen, mechanische Stöße usw. Der Einbau dieser Drehgeber erweist sich als kostspielig.

Eine Möglichkeit der Vermeidung eines Drehgebers bestünde darin, ein ständerflußorientiertes Koordinatensystem zu ver wenden. Eine dementsprechende Regelung benötigte die Klemm spannung des Antriebes und den Ständerstrom als Eingangsgrö ßen, also Größen, die vorhanden und auf einfachem Wege meßbar sind. Der Einsatz eines Drehgebers ist nicht erforderlich.

Der Vorteil des Einsatzes eines ständerflußorientierten Koor dinatensystems besteht darin, daß relativ einfache Gleichungen abzuarbeiten sind. Nachteilig ist es allerdings, daß dabei die offene Integration ein Wegdriften der Werte hervorruft, was zur Instabilität der Regelung führt. Der Nachteil der Instabi lität könnte nur mit sehr schnellen Rechnungen kompensiert werden, was jedoch den Nachteil des Erfordernisses sehr großer Rechenleistungen mit sich bringt. Gerade diese Nachteile wer den bei flußorientierten Regelungen vermieden, weshalb das grundsätzliche Bestreben darin liegt, flußorientierte Rege lungen einzusetzen.

Zur Vermeidung der nachteilbehafteten Drehzahlmessung sind Konzepte bekannt, die beispielsweise auf dem Einsatz eines Kalman-Filters beruhen, die allerdings ebenfalls wegen des erheblichen Rechenbedarfs praktisch nicht einsetzbar sind. Die Ermittlung der Drehzahl auf der Basis des Direct Torque Con trol bringen erhebliche Probleme der elektromagnetischen Ver träglichkeit wegen der aufgrund des Einsatzes von Zweipunkt reglern schwankenden Pulsfrequenz mit sich.

Außerdem lassen sich die vorhandenen Verfahren entweder nicht oder sehr schlecht in das vorhandene Konzept der meisten kom merziellen Antriebssysteme integrieren, wo einerseits die restliche Rechenleistung nur noch relativ gering ist und ande rerseits der Asychronantrieb in dq- bzw. in Feldkoordinaten geregelt ist.

Der Erfindung liegt damit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, welches unter Beibehaltung der Arbeit in einem rotorflußorientierten Koordinatensystem ohne eine Erhöhung des rechentechnischen Aufwandes den Einsatz von Drehgebern vermeidet.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die mechanische Winkelgeschwindigkeit ω geberlos aus einem Stän derstromvektor i _s der rotorflußorientierten Ständerstrom komponenten i_sd und i_sq und aus einem Ständerspannungsvektor u _s der rotorflußorientierten Ständerspannungskomponenten u_sd und u_sq als berechnete Winkelgeschwindigkeit

ermittelt und adap tiv nachgeführt wird. Die berechnete Winkelgeschwindigkeit wird sowohl für das Flußmodell und die Winkelberechnung zur Berechnung des Rotorflusses ψ'_rd und des Feldwinkels ϑ als auch als Regelgröße für die Drehzahlregelung eingesetzt.

Das Regelsystem ermöglicht durch Beibehaltung der Stromrege lung in dq- (bzw. Feld-) Koordinaten eine schnelle und genaue Einprägung des Drehmoments. Das Regelsystem hat eine von der zusätzlichen Berechnung der Drehzahl bzw. der mechanischen Winkelgeschwindigkeit verursachte, geringfügige Erhöhung des Rechenaufwandes. Das Regelsystem ist am Einsatz von Microcon trollern und digitalen Signalprozessoren, was eine Regel-Ab tastzeit von unter 400 µs erlaubt, orientiert. Das Regelsystem mit diesen Merkmalen läßt sich in die meisten Asychronantriebssysteme einfach integrieren.

Mit diesen Eigenschaften wird das Verfahren die im System bereits vorhandenen Vorzüge der feldorientierten Regelung, wie die Dynamik, die Genauigkeit und die Robustheit weiter gewähr leisten können.

Die Erfindung kann eine besonders zweckmäßige Ausgestaltung durch die kennzeichnenden Merkmale der Ansprüche 2 und 3 er fahren.

Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbei spieles näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigt

Fig. 1 eine schematische Gesamtansicht der erfindungsgemäßen Regelung,

Fig. 2 eine schematische Detaildarstellung der Drehzahlbe rechnung zusammen mit dem Flußmodell und der Winkelbe rechnung und

Fig. 3 einen Ablaufplan des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Fig. 1 zeigt ein Regelsystem für den Asychronantrieb 1, der zur Ständerstromeinprägung zwei getrennte Strom komponentenregler 2 und einem anschließenden Entkopplungs netzwerk 3 oder einen Strom-Mehrgrößenregler 4 im Einsatz hat. Die Stromregelung ist in dq-(bzw. Feld-)Koordinaten ausge führt. Die Komponenten u_sd, u_sq der Ständerspannung werden mit Hilfe des Entkopplungsnetzwerkes 3 aus den Reglerausgangs größen oder aus dem Strommehrgrößenregler 4 ermittelt, die nach der Koordinatentransformation (dq → αβ) mittels der Raum zeigermodulation über einen Wechselrichter 5 dem Asychronan trieb 1 zugeführt werden. Aus den Stromistwerten i_su, i_sv und i_sw werden durch Messung (z. B. mittels Analog/Digital-Wand lers) mit anschließender erster Koordinatentransformation (3 → 2) und anschließender Koordinatentransformation (αβ → dq) die Stromwerte i_sd und i_sq gewonnen. Der von der überlagerten Flußregelung und vom Entkopplungsnetzwerk 3 benötigte Magneti sierungsstrom- oder Rotorfluß-Istwert Ψ'_rd wird mit Hilfe eines iω-Flußmodells berechnet. Die berechnete Drehzahl wird der überlagerten Drehzahlregelung zur Verfügung gestellt und dient gemeinsam mit dem berechneten Magnetisierungsstrom '_rd(k) der Winkelberechnung, deren Ergebnis als Transformationswinkel δ für beide Richtungen (dq → αβ, αβ → dq) eingesetzt wird.

Das in Fig. 1 gezeigte, erfindungsgemäße Regelsystem verzich tet auf den Einsatz des Sensors und verwendet statt dessen ein Verfahren zur Berechnung der Drehzahl bzw. der mechanischen Winkelgeschwindigkeit ω aus Strom und Spannung. Dies ist in Fig. 1 schraffiert hervorgehoben. Dieses Verfahren wird anhand von Fig. 2 weiter erläutert konkretisiert.

Das Verfahren ist sowohl hard- als auch softwaremäßig durch führbar. In Fig. 2 und 3 ist an sich bekannte Flußmodell und die Feldwinkelberechnung mit Hilfe des schraffierten Bereichs verdeutlicht.

Geht man von der Abarbeitung der Stromregelschleife aus, wie sie beispielhaft als Programmablauf in Fig. 3 dargestellt ist, dann ist die Stelle - innerhalb des 2. Schritts - deutlich erkennbar, wo die Abarbeitung des Verfahrens zu erfolgen hat.

Fig. 3 zeigt den Programmablaufplan des erfindungsgemäßen Verfahrens, dessen Abarbeitungsreihenfolge in der praktischen Implementierung jedoch auch modifizierbar ist.

Ausgangspunkt für das Regelsystem ist das folgende bekannte diskrete Zustandsmodell des Asynchronantriebes 1:

x(k+1) = Φ x(k) + H u _s(k) (1)

mit dem Zustandsvektor x(k):

und dem Eingangs- bzw. dem Ständerspannungsvektor u _s(k):

u _s ^T = [u_sd' u_sq]

In dem Modell (1) des Asynchronantriebes 1 sind:

u_sd, u_sq die feldsychronen Komponenten der Ständer spannung,
i_sd, i_sq die feldsychronen Komponenten des Ständer stroms,
Ψ'_rd, Ψ'_rq die feldsychronen Komponenten des Rotor flusses bzw. des Magnetisierungsstroms (bei genauer Feldorientierung gilt Ψ'_rq=0,)
L_m die Koppelinduktivität
Φ die Transitionsmatrix und
H die Eingangsmatrix.

Das Modell (1) läßt sich bei genauer Feldorientierung, d. h. Ψ'_rq=0, ausführlicher wie folgt angeben:

Die Elemente der Matrizen Φ, H haben folgende Formeln:

Mit:

T Abtastzeit der Stromregelschleife
T_r, T_s Rotor-, Statorzeitkonstante
ω_s, f_s Winkelgeschwindigkeit, Frequenz des Stän derkreises
ω, f mechanische Winkelgeschwindigkeit, mecha nische Frequenz des Rotors
ω_r Winkelgeschwindigkeit des Läuferkreises
L_s Ständerinduktivität
σ Gesamtstreufaktor.

Die Gleichung (2d) läßt sich unter Einsatz der angegebenen Matrixelemente in eine Formel zur Berechnung des Schlupfs umformen:

Die Gleichungen (2a, b, c, d), (3) und (4) werden bei der praktischen Umsetzung mit digitaler Technik bzw. mit Mikro prozessoren in normierter Form eingesetzt. Die Normierungs größen sind die wechselrichterspezifischen maximalen Werte, die hier nur symbolisch angegeben sind. Es heißen

I_Norm Normierungsstrom (üblicherweise der maxi male Wechselrichter-Strom)
U_Norm Normierungsspannung (üblicherweise die bei der Messung der Zwischenkreisspannung U_zk hardwaremäßig - z. B. vom Analog/Digital- Wandler - festgelegte maximale Spannung)
f_Norm Normierungsfrequenz (maximale WR-Frequenz).

In den später beschriebenen Rechenformeln werden also nur noch normierte einheitlose Größen eingesetzt:

Mit U_zk Zwischenkreisspannung des WR.

Während die Matrixelemente Φ₁₁, Φ₁₃, Φ₃₁ und Φ₃₃ schon einheits los und von daher beim Normierungsprozeß unverändert bleiben, werden bei Normierung der Frequenzen und beim Einsatz der normiert gemessenen Zwischenkreisspannung U_zk:

die restlichen Elemente wie folgt geändert:

Bei der praktischen Implementierung des Regelsystems werden folgende Elemente Φ₁₁, Φ₁₃, Φ₃₁ und Φ₃₃, T₁, T₂ und h*₁₁ off-line - d. h. einmalig bei der Initialisierung - berechnet. Die Elemen te Φ₁₂, Φ₁₄ und h^N ₁₁ müssen on-line neu berechnet und dem aktuel len Wert von U_zk neu angepaßt werden.

Um das erfindungsgemäße Regelsystem mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erläutern zu können, müssen hier zwei Parametertypen definiert werden. So ist unter einer Größe bzw. einem Para meter mit

ˆ die geschätzte oder berechnete Größe oder Parameter und
∼ der zu der geschätzten Größe bzw. zu dem geschätzten Parameter zugehörige Schätzfehler

zu verstehen. Das erfindungsgemäße Verfahren, womit gleich zeitig die Drehzahl bzw. die mechanische Winkelgeschwindigkeit ω und der Rotorfluß bzw. der Magnetisierungsstrom Ψ'_rd nur aus Spannung und Strom berechnet werden, wird in folgenden Rechen schritten wiedergegeben. Der betrachtete Regeltakt ist der aktuelle Takt (k). Ausgangspunkt der Rechenschritte sind neben den gemessenen Istwerten i_sd(k), i_sq(k) und U_zk(k) die im vor hergehenden Takt (k-1) vorausberechneten Werte, die nun aktu ell sind:

_sd(k), _sq, '_rd(k).

In den ab hier angegebenen Formeln handelt es sich immer um normierte Größen, so daß der rechts hochgestellte Index "N" übersichtlicherweise entfallen kann.

1. Schritt: Berechnung der Prädiktionsfehler (Fehler der Vor ausberechnung im vorhergehenden Takt).
2. Schritt: Berechnung des ω-Schätzalgorithmus in zwei Teil schritten
- a) Berechnung des neuen Drehzahlschätzfehlers
  (k) = -_sq(k)'_rd(k) (9)
- b) Berechnung der neuen Drehzahl bzw. der neuen mecha nischen Winkelgeschwindigkeit:
  (k) = K_p[(k) - (k-1)] + K₁(k) + (k-1) (10)
  K_p, K_I Verstärkungsfaktoren der Proportional-, Integralanteile, die von dem überlagerten Drehzahlregler (umgerechnet für die Ab tastzeit T der untergelagerten Stromregelschleife) übernommen worden sind
3. Schritt: Berechnung des neuen Schlupfs
4. Schritt: Berechnung des neuen Winkels in zwei Teilschritten
- a) Berechnung der Winkelgeschwindigkeit des Ständer kreises
  _s(k) = (k) + ω_r(k) (12)
- b) Berechnung des neuen Winkels:
  (k + 1) = (k) + _s(k)T (13)
5. Schritt: Berechnung der Matrixelemente Φ₁₂, Φ₁₄ und h^N ₁₁ nach Formel (7)
6. Schritt: Prädiktion (Vorausberechnung) der Stromkomponenten
7. Schritt: Prädiktion (Vorausberechnung) des Rotorflusses
_rd(k + 1) = Φ₃₁ _sd(k) + Φ₃₃ _rd(k) (15)
8. Schritt: Zurück und auf den nächsten Takt (k+1) warten.

Das Ergebnis vom 2. Schritt kann nun der Drehzahlregelung als Drehzahl- bzw. Winkelgeschwindigkeits-Istwert zur Verfügung gestellt werden. Der Winkel aus dem 4. Schritt dient den Koor dinatentransformationen (dq → αβ, αβ → dq) und der Rotorfluß aus dem 7. Schritt als Istwert für die Flußregelung.

Bezugszeichenliste

1

Asynchronantrieb

2

Stromkomponentenregler

3

Entkopplungsnetzwerk

4

Strom-Mehrgrößenregler

5

Wechselrichter

Claims

1. Verfahren zur rotorflußorientierten Regelung eines Asyn chronantriebes, bei dem die Signale in einem mit dem Ro torfluß Ψ'_rd rotierendem d-q-Koordinatensystem, d. h. ro torflußorientiert, verarbeitet werden und die Istwerte der phasenorientierten Ständerstromkomponenten i_su, i_sv und i_sw hierbei in rotorflußorientierte Ständerstromkomponenten i_sd und i_sq transformiert werden, die als Regelgröße in einer inneren Stromregelung eingesetzt werden, die aus rotorflußorientierten Ständerspannungskomponenten u_sd und u_sq als Ausgangsgrößen des Reglers der inneren Stromrege lung die phasenbezogenen Einschaltzeiten der Betriebs spannung als Stellgröße errechnet, wobei die Führungs größen der inneren Regelung als Reglerausgang einer Fluß regelung und als Reglerausgang einer Drehzahlregelung, in der die mechanische Winkelgeschwindigkeit ω des Asynchron antriebes als Regelgröße eingesetzt ist, ermittelt werden, wobei für die Flußregelung der Rotorfluß Ψ'_rd als Regel größe und für die d-q-Koodinatentransformation der Feld winkel ϑ mittels eines Feldmodells und einer Winkelbe rechnung aus den rotorflußorientierten Ständerstromkompo nenten i_sd und i_sq und der mechanischen Winkelgeschwindig keit ω ermittelt werden, dadurch gekenn zeichnet, daß die mechanische Winkelgeschwindigkeit ω geberlos aus einem Ständerstromvektor i _s der rotorfluß orientierten Ständerstromkomponenten i_sd und i_sq und aus einem Ständerspannungsvektor u _s der rotorflußorientierten Ständerspannungskomponenten u_sd und u_sq als berechnete Win kelgeschwindigkeit ermittelt und adaptiv nachgeführt wird und die berechnete Winkelgeschwindigkeit sowohl für das Flußmodell und die Winkelberechnung zur Berechnung des Rotorflusses Ψ'_rd und des Feldwinkels ϑ als auch als Regel größe für die Drehzahlregelung eingesetzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Winkelgeschwindigkeit als be rechnete Winkelgeschwindigkeit und der Rotorfluß Ψ'_rd als berechneter Rotorfluß '_rd innerhalb der inneren Stromrege lung ermittelt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge kennzeichnet, daß die berechnete Winkelge schwindigkeit und der berechnete Rotorfluß '_rd(k) aus den rotorflußorientierten Ständerspannungskomponenten u_sd und u_sq und den rotorflußorientierten Ständerstromkomponen ten i_sd, i_sq in einem getakteten Verfahren in einem k-ten Takt, wobei die gemessenen Istwerte i_sd(k), i_sq(k), u_sd(k) und u_sq(k) und die im vorhergehenden Takt (k-1) vorausbe rechneten Werte _sd(k), _sq(k) und _rd(k) zur Verfügung stehen, dadurch erfolgt, daß

- in einem ersten Schritt ein Prädikations fehler _sd(k), _sq(k), d. h. ein Fehler der Voraus berechnung, im vorhergehenden Takt k-1 als
ermittelt wird,
- in einem zweiten Schritt die Winkelgeschwindigkeit über eine Berechnung des Drehzahlschätzfehlers mit
(k) = -_sq(k)_rd(k)
und danach mit
(k) = K_p[(k) - (k-1)] + K₁(k) + (k-1)
berechnet wird, worin K_P und K_I die Verstärkungsfaktoren der Proportional- und Integralanteile der Drehzahlregelung darstellen,
- in einem dritten Schritt ein Schlupf ω_r(k) ermittelt wird als
worin T_r die Rotorzeitkonstante darstellt
- in einem vierten Schritt die Winkelgeschwindigkeit des Ständerkreises
_s(k) = (k) + ω_r(k)
und danach der Feldwinkel des nächstfolgenden Taktes k+1 mit
(k + 1) = (k) + _s(k)T
berechnet wird, worin T die Taktzeit der Stromregelung darstellt,
- in einem fünften Schritt die Berechnung von Matrixele menten Φ₁₂, Φ₁₄ und h^N ₁₁ nach
erfolgt,
- in einem sechsten Schritt die Prädiktion, d. h. die Vor ausberechnung der Stromkomponenten mit
- in einem siebenten Schritt die Prädiktion des Rotor flusses
_rd(k + 1) = Φ₃₁ _sd(k) + Φ₃₃'_rd(k)
erfolgt und
- anschließend der erste bis siebente Schritt im nächsten Takt wiederholt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekenn zeichnet, daß die nach dem zweiten Schritt ermit telte Winkelgeschwindigkeit und die nach dem sechsten Schritt ermittelten vorausberechneten Stromkomponenten _sd(k+ 1) und _sq(k+1) in dem Flußmodell und der Winkelbe rechnung anstelle der Istwerte der rotorflußorientierten Stromkomponenten i_sd und i_sq verwendet werden.