DE19747412A1 - Verfahren zur Synchronisierung von Elektro-Motorischer-Kraft und Stromraumzeiger bei digital feldorientiert geregelten Synchronantrieben - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Synchronisierung von Elektro-Motorischer-Kraft und Stromraumzeiger bei digital feldorientiert geregelten Synchronantrieben.

Um eine einwandfreie Funktion eines Synchronantriebes sicher­ zustellen, muß der räumliche und zeitliche Zusammenhang zwi­ schen der elektromotorischen Kraft EMK des Antriebes und dem Stromraumzeiger phasenrichtig hergestellt werden. Bei rotato­ rischen Synchronantrieben, die im Motorenwerk komplettiert werden, erfüllt diese Aufgabe in der Regel der Antriebsher­ steller, welcher über Vorrichtungen und Know-how zur Synchro­ nisierung und Geberjustage verfügt.

Problematisch ist diese Anforderung jedoch vor allem auch bei Synchron-Linearmotoren, welche im allgemeinen als Bausatzmo­ toren mit getrennten Primär- und Sekundärteilen sowie Linear­ meßsystemen vertrieben werden. Dabei kann der Stromraumzeiger bzw. Polwinkel der Antriebsregelung erst im montierten Zu­ stand auf die Antriebs-EMK justiert werden. Erst diese erfor­ derliche Justage, welche im letztgenannten Fall von dem Kun­ den selbst vorzunehmen ist, stellt die Leistungsdaten des Syn­ chronantriebes wie Maximalkraft und Maximalgeschwindigkeit sicher.

Bei einer Extremfehljustage ist sogar ein instabiler Regel­ kreis und infolge ein Durchgehen der Antriebsachse möglich.

Häufig trifft dieses Problem mit Synchron-Linearantrieben im Bereich der Werkzeugmaschinenhersteller auf, welche vor der Aufgabe stehen, bei der Endmontage einer Werkzeugmaschine den räumlichen und zeitlichen Zusammenhang zwischen Antriebs-EMK und Stromraumzeigerphasen richtig herzustellen.

Herkömmlicherweise existieren zwei praktisch erprobte Verfah­ ren zur Vornahme einer solchen Polwinkeljustage.

Bei einem ersten bekannten Verfahren wird die Achse der Syn­ chronmaschine verschoben und dabei die induzierte Motorspan­ nung oszillografiert. Anschließend wird - beispielsweise bei einem Synchron-Linearantrieb - der Linearmaßstab mechanisch so verschoben, daß die Referenzmarke mit dem Nulldurchgang der Motor-EMK der Phasenspannung U zusammenfällt oder es wird über ein Maschinendatum der Fehlerwinkel zur Erreichung der Synchronität über einen Software-Parameter eingetragen. Die­ ses Verfahren ist erprobt, benötigt aber zusätzliche Meßgerä­ te, ausgebildetes Fachpersonal und ist zeitaufwendig und feh­ leranfällig. Außerdem müssen unter Umständen mehrere iterativ Schritte durchgeführt werden und es ist ein Ablesen der Zeit­ verschiebung aus dem Oszillogramm auf händische Art und Weise erforderlich.

Nach einem weiteren bekannten Verfahren zur Polwinkeljustage wird im Stillstand der Achse des Synchronantriebes mit Hilfe von Spannungsimpulsen, die durch den Umrichter auf die Mo­ torklemmen gegeben werden, die wegen der Eisensättigung pol­ winkel-abhängige Induktivitätsverteilung des Antriebes be­ stimmt. Der Versatz zur Referenzmarke wird in einen Soft­ ware-Parameter eingetragen. Dieses Verfahren ist erprobt, die Ge­ nauigkeit beträgt ca. ±5° elektrisch. Fehlfunktionen bei Mo­ toren mit schlechter Sinusform der EMK oder nicht vorhandener Eisensättigung sind jedoch denkbar. Da das Verfahren nur an einer Position mißt, können Motorfehler durch vertauschte oder beschädigte Magnetpole (bei Synchron-Linearantrieben im Sekundärteil) nicht erkannt werden, wodurch wiederum Fehlmes­ sungen entstehen können. Aufgrund dieser Eigenschaften ist dieses bekannte Verfahren vor allem für die Erfassung des Grob-Polwinkels beim Einschalten des Antriebes zum Ersatz von Hallsensoren bei inkrementellen Meßsystemen geeignet.

Auch bei rotierenden Synchronantrieben stellt sich jedoch das Problem der Polwinkeljustage häufig nach einem Gebertausch, welcher eine neue Justage erforderlich macht.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfah­ ren zur Synchronisierung von Elektro-Motorischer-Kraft EMK und Stromraumzeiger bzw. Polwinkel bei digital feldorientiert geregelten Synchronantrieben zu schaffen, bei dem eine Her­ stellung des phasenrichtigen räumlichen und zeitlichen Zusam­ menhangs zwischen Antriebs-EMK und Stromraumzeiger weitgehend automatisch erreicht werden kann.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zur Synchronisierung von Antriebs-EMK und Strom­ raumzeiger mit den folgenden Verfahrensschritten erreicht:

• 1.1 Freigabe des Umrichters,
• 1.2 Vorgabe von Spannungssollwerten mit einem Phasen-Puls- Pausen-Verhältnis von 1 : 1, woraus eine Spannung von NULL resultiert,
• 1.3 Verschieben bzw. Verdrehen der Achse des Synchronantriebs mit Ermittlung eines absoluten Lagemeßwertes als Refe­ renzlage,
• 1.4 Erfassen von dadurch bedingt auftretenden Phasenstrom­ werten für mindestens eine Phase,
• 1.5 Bestimmung des Winkels des Stromraumzeigers durch Ver­ gleichen des Phasennulldurchganges der erfaßten Phasen­ stromwerte mit der Referenzlage,
• 1.6 Erreichung der Synchronität mittels eines Korrekturwin­ kels zwischen Referenzlage und Winkel des Stromraumzei­ gers.

Vom Bediener wird nur verlangt, daß die Inbetriebnahmefunkti­ on gestartet, die Achse der Synchronmaschine per Hand bewegt und anschließend die Inbetriebnahmefunktion quittiert wird. Vorteilhaft ist, daß der Synchronantrieb und im Falle eines Synchron-Linearantriebes das Linearmeßsystem, wie für den späteren Betrieb erforderlich, am Umrichter angeschlossen bleiben kann und daher keine Vertauschungsmöglichkeit und die dadurch bedingten Betriebsstörungen auftreten können. Da­ durch, daß nach Impulsfreigabe Spannungssollwerte u_u*, u_v*, u_w* fest mit einem Phasen-Puls-Pausen-Verhältnis von 1 : 1 vor­ gegeben werden, resultiert eine Spannung von NULL und es wird eine Motorkraft erzeugt. Es wird somit eine Ankerkurzschluß­ bremsung des Antriebes vorgenommen und es entsteht eine ge­ ringe Bremskraft, gegen die die Achse des Antriebes von Hand verschoben werden kann. Im Antrieb können ein oder mehrere Phasenströme i_u etc. erfaßt und eventuell mit der Rotorlage aufgezeichnet werden. Es resultiert daraus ein Sinusverlauf, welcher die EMK der jeweiligen Phase abbildet. Synchronität kann dann erreicht werden, indem ein Korrekturwinkel zwischen der Referenzlage und dem Winkel des Stromraumzeigers und da­ mit der EMK bestimmt wird, wobei letzterer durch Vergleich des Phasennulldurchganges der erfaßten Phasenstromwerte mit den Rotorlagewerten bestimmt wird.

Benötigt wird für die Referenzlage ein absoluter Lagemeßwert, welcher beispielsweise bei einem Absolut-Lagegeber ohnehin vorliegt. Wird ein inkrementales Gebersystem verwendet, so muß eventuell der Referenzpunkt überfahren werden, damit zu jedem Punkt der ermittelten Sinuskurve ein absoluter Bezugs­ wert vorhanden ist. Anhand dieses Sinusverlaufs läßt sich dann ein Bezug der absoluten Position zur betrachteten Motor­ phase herstellen. Anhand der Differenz zwischen Referenzpunkt und ermitteltem Polwinkel bzw. Winkel des Stromraumzeigers läßt sich dann der Korrekturwinkel zur Erreichung der Syn­ chronität gewinnen, welcher beispielsweise über ein Aus­ gleichsdatum als Softwareparameter hinterlegt werden kann.

Nach einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung werden

• 2.1 die Phasenströme für alle drei oder mehr Phasenspannungen erfaßt und es wird anhand der Phasenfolge ein Vergleich mit der positiven Zählrichtung eines Lagemeßsystemes vor­ genommen.

Aufgrund dieses Vergleichs kann automatisch ein Parameter ge­ setzt werden, welcher die Zählrichtung des Lagemeßsystems an die positive Verfahrrichtung der Synchronmaschine anpaßt. Auf diese Weise wird der Regelsinn eines Geschwindigkeitsregel­ kreises automatisch korrigiert.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfah­ rens gemäß der vorliegenden Erfindung wird

• 3.1 mittels eines Drehzahl- oder Lagegebers ein Geschwindig­ keitsistwert abgeleitet und es werden die erfaßten Span­ nungssollwerte auf eine Standardgeschwindigkeit normiert, wobei aus dem daraus resultierenden Sinusverlauf der Pha­ sennulldurchgang zum Vergleich mit der Referenzlage er­ mittelt wird.

Indem nicht nur ein Phasennulldurchgang der Phasenströme, sondern auch die Amplitude ausgewertet wird, ist auf diese Weise zusätzlich eine Motordiagnose möglich. So kann bei­ spielsweise eine Fehlerschwelle zwischen einer idealen Sinus­ form und der ermittelten Sinuskurve der Sollwerte definiert werden. Wird diese Fehlerschwelle überschritten, so lassen sich hieraus Motorfehler, wie z. B. nicht angeschlossene Pha­ sen, Wicklungsschlüsse oder -unterbrechungen, vertauschte oder beispielsweise durch Überstrom beschädigte Magnetpole (bei Synchron-Linearantrieben im Sekundärteil) diagnostizie­ ren. Eine solche Eigenschaft ist bei Bausatzantrieben wie Synchron-Linearantrieben besonders vorteilhaft, da Fehler beim Zusammenbau der Komponenten durch den Kunden nicht aus­ geschlossen werden können und eine optische Inspektion der Antriebe im eingebauten Zustand in der Regel nicht mehr mög­ lich ist.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfah­ rens gemäß der vorliegenden Erfindung läßt sich eine weitere Steigerung der Genauigkeit erreichen, indem

• 4.1 ein Verschieben bzw. Verdrehen der Achse des Synchron­ antriebs nach Verfahrensschritt 1.3 mehrmals wiederholt wird, wobei die dabei erfaßten Phasenströme gemittelt werden.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die Meßkurven, ideale Sinuskurven und ermittelter Synchronisierungspunkt an einem Bildschirm graphisch visualisiert werden können, wodurch je­ derzeit eine Pausibilitätskontrolle möglich ist.

Nach einer alternativen Ausgestaltung des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung läßt sich eine vorteilhafte Lösung der eingangs gestellten Aufgabe durch folgende Verfahrens­ schritte erreichen:

• 5.1 Trennen des Synchronantriebs vom Umrichter und Anschlie­ ßen an eine Vorschaltelektronik,
• 5.2 Ermittlung von Phasennulldurchgängen der Antriebs-EMK mittels der Vorschaltelektronik, insbesondere nach den Verfahrensschritten 1.3 bis 1.5, wobei eine Trigger­ schwelle für eine Mindest-Antriebs-EMK vorgegeben wird,
• 5.3 Vorgabe der Phasennulldurchgänge als Rechtecksignal, wel­ ches als Referenzsignal in die Geberleitung eines Lagege­ bers oder in einen BERO-Eingang des Umrichters einge­ schleift wird,
• 5.4 Erfassen der Rotorlage zum Zeitpunkt eines Phasennull­ durchganges der Antriebs-EMK und Vergleichen mit einer Referenzlage bei Synchronität,
• 5.5 Erreichung der Synchronität mittels eines Korrekturwin­ kels zwischen erfaßter Rotorlage und Referenzlage,
• 5.6 Trennen des Synchronantriebs von der Vorschaltelektronik und Anschluß an den Umrichter.

Zusammenfassend lassen sich für die vorliegende Erfindung folgende Vorteile feststellen:
Eine Erstinbetriebnahme wird vereinfacht und die Fehlerträch­ tigkeit des Justagevorgangs wird reduziert.

Der Justagevorgang wird durch eine automatisierte Justage er­ leichtert.

In das Verfahren ist eine Diagnosefunktion für Motorfehler integrierbar.

Der Regelsinn des Geschwindigkeitsregelkreises kann automa­ tisch korrigiert werden.

Aufgrund dieser voranstehenden Vorteile, welche mit dem Ver­ fahren gemäß der vorliegenden Erfindung erreicht werden, bie­ tet sich dieses nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestal­ tung besonders für Synchron-Linearantriebe an.

Weitere Vorteile und erfinderische Einzelheiten ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines vorteilhaften Ausfüh­ rungsbeispieles und in Verbindung mit der Figur. Es zeigt:

Fig. 1 eine Regelungsstruktur zur Durchführung des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung zur Synchronisierung von Antriebs-EMK und Stromraumzeiger.

In der Darstellung gemäß der Figur ist eine Regelungsstruktur zur Synchronisierung von Antriebs-EMK und Stromraumzeiger bzw. Polwinkel für Synchronantriebe gezeigt, welche beispiel­ haft anhand einer digitalen feldorientierten d-q-Regelung für einen Synchron-Linearantrieb 14 mit einem Linearmeßsystem 13 erfolgt. Es ist ein i_q-Stromregler 1 zur Einprägung einer mo­ mentbildenden Komponente senkrecht zur Flußlage, der q-Kom­ ponente, sowie ein i_d-Stromregler 2 zur Einprägung einer feldbildenden Komponente in Flußrichtung, der d-Komponente, vorgesehen. Der i_q-Stromregler 1 wird mit der in einem Diffe­ renzglied 4 gebildeten Differenz aus Stromsollwertkomponente senkrecht zur Flußlage i*_q und dem entsprechenden Stromist­ wert i_q beaufschlagt. Entsprechend wird der i_d-Stromregler 2 in einem weiteren Differenzglied 5 mit der Differenz aus der Stromsollwert-Komponente i*_d und der entsprechenden Stromist­ wert-Komponente i_d beaufschlagt.

Es werden Stromsollwert-Komponenten i*_q und i*_d vorgegeben, wobei am Ausgang jedes Stromreglers 1 bzw. 2 je eine Span­ nungskomponente u*_q bzw. u*_d im Flußkoordinatensystem bereit­ steht. In einem Entkopplungsglied 3, welchem die Stromsoll­ wert-Komponenten i*_q und i*_d sowie ein ermittelter Polwinkel ε zugeführt sind, wird jeweils ein Ausgleichswert auf je einen der jeweiligen Spannungskomponente zugeordneten Addierer 7 bzw. 8 aufgeschaltet. Die Stromstollwert-Komponenten werden so gewählt, daß die Spannungskomponenten u*_q bzw. u*_d im Flußkoordinatensystem Werte aufweisen, welche in einer Ein­ heit 3 zur Koordinaten- und 2/3 - Transformation in das stän­ derfeste Koordinatensystem transformiert werden und in Form von Phasenspannungen u*_u, u*_v, u*_w mit einem Phasen-Puls-Pausen-Verhältnis von 1 : 1 über ein Umrichtersystem 12 (bein­ haltend eine Pulsweitenmodulation PWM und einen Leistungs­ teil) an den Synchron-Linearantrieb 14 ausgegeben werden. Daraus resultiert eine Spannung von NULL, was eine Ankerkurz­ schlußbremsung hervorruft.

Zur feldorientierten Regelung werden aus dem Umrichter 12 die Phasenströme zweier Phasen, beispielsweise i_u und i_v abge­ griffen, aus denen über ein Differenzglied 9 der Strangstrom der dritten Phase i_w nachfolgender Berechnungsvorschrift be­ stimmt wird:

i_w = -i_u - i_v.

Gemäß der vorliegenden Erfindung werden nun die durch eine Verschiebung der Achse des Linear-Synchronantriebes 14 gegen die Ankerkurzschlußbremsung Phasenströme i_u, i_v und i_w gene­ riert. Der Iststromraumzeiger der Phasenstrome i_u, i_v und i_w wird über eine Einheit 15 zur Koordinaten und 2/3-Transfor­ mation ebenfalls in eine d- und g-Komponente des mit dem Fluß drehenden Koordinatensystems transformiert. Auf diese Weise werden die Stromistwert-Komponenten i_q und i_d bestimmt.

Es werden die Phasenströme i_u, i_v und i_w für mindestens eine Phase sowie vom Linearmeßsystem 13 gelieferte Lagemeßwerte x gemessen. Die Phasenströme i_u, i_v und i_w besitzen dann einen sinusförmigen Verlauf.

Desweiteren ist eine Einheit 10 zur Polweitenumrechnung vor­ gesehen, welche mit vom Linearmeßsystem 13 gelieferten Lage­ meßwerten x beaufschlagt wird, wodurch der entsprechende ab­ solute Lagemeßwert als Bezugswert bekannt ist. Zu jedem Punkt der Phasenströme i_u, i_v und i_w existiert somit ein absoluter Bezugswert. Über die Einheit 10 zur Polweitenumrechnung wird nun ein Polwinkel ε ermittelt, welcher neben der Einheit 3 zur Entkopplung auch den beiden Koordinaten- und 2/3-Trans­ formationseinheiten 6 bzw. 15 zugeführt ist. Die Ermittlung des Winkels ε des Stromraumzeigers erfolgt, wie weiter oben beschrieben, direkt aus der berechneten Sinussignalform, in­ dem der Bezug der absoluten Position x zur Motorphase anhand des Sinusverlaufs hergestellt wird.

Die Erreichung der Synchronität mittels eines Korrekturwin­ kels kann ebenfalls mit Hilfe der Einheit 10 zur Pulsweiten­ umrechnung vorgenommen werden, indem ein entsprechendes Ma­ schinendatum entsprechend dem ermittelten Korrekturwinkel als Korrekturfaktor in der Einheit 10 hinterlegt wird, was zur Folge hat, daß die beschriebenen Komponenten mit dem korrek­ ten Polwinkel ε beaufschlagt werden. Darüber hinaus ist vor­ teilhafterweise ein Differenzierglied 11 vorgesehen, mit dem aus den Lagewerten x ein Geschwindigkeitsistwert v abgeleitet wird, welcher zur Normierung der festen Spannungssollwerte auf eine Standardgeschwindigkeit verwendet wird. Ein hierfür erforderliches Rechenglied wie beispielsweise ein Mikropro­ zessor mit geeignet programmiertem Programmspeicher sowie Ar­ beitsspeicher zur Aufnahme der erfaßten Sollwerte ist der besseren Übersichtlichkeit halber nicht gezeigt. Dadurch las­ sen sich die vorangehenden geschilderten Maßnahmen zur Durch­ führung einer Diagnosefunktion für Antriebsfehler integrie­ ren.

Claims (6)

1. Verfahren zur Synchronisierung von Elektro-Motorischer-Kraft (EMK) und Stromraumzeiger bei digital feldorientiert geregelten Synchronantrieben gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte:

• 1.1 Freigabe des Umrichters,
• 1.2 Vorgabe von Spannungssollwerten (u_u*, u_v*, u_w*) mit einem Phasen-Puls-Pausen-Verhältnis von 1 : 1, woraus eine Span­ nung von NULL resultiert,
• 1.3 Verschieben bzw. Verdrehen der Achse des Synchronantriebs mit Ermittlung eines absoluten Lagemeßwertes als Refe­ renzlage,
• 1.4 Erfassen von dadurch bedingt auftretenden Phasenstrom­ werten (i_u und/oder i_v und/oder i_w) für mindestens eine Phase (U, V, W),
• 1.5 Bestimmung des Winkels des Stromraumzeigers (e) durch Vergleichen des Phasennulldurchganges der erfaßten Pha­ senstromwerte (i_u und/oder i_v und/oder i_w) mit der Refe­ renzlage,
• 1.6 Erreichung der Synchronität mittels eines Korrekturwin­ kels zwischen Referenzlage und Winkel des Stromraumzei­ gers (ε).

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß

• 2.1 Phasenströme (i_u und/oder i_v und/oder i_w) für alle drei oder mehr Phasen (U, V, W) erfaßt werden und anhand der Phasenfolge ein Vergleich mit der positiven Zählrichtung eines Lagemeßsystems erfolgt.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß

• 3.1 mittels eines Drehzahl- oder Lagegebers ein Geschwindig­ keitsistwert abgeleitet wird und die erfaßten Phasenströ­ me (i_u und/oder i_v und/oder i_w) auf eine Standardgeschwin­ digkeit normiert werden, wobei aus dem daraus resultie­ renden Sinusverlauf der Phasennulldurchgang zum Vergleich mit der Referenzlage ermittelt wird.

4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß

• 4.1 ein Verschieben bzw. Verdrehen der Achse des Synchron­ antriebs nach Verfahrensschritt 1.3 mehrmals wiederholt wird, wobei die dabei erfaßten Phasenströme (i_u und/oder i_v und/oder i_w) gemittelt werden.

5. Verfahren zur Synchronisierung von Elektro-Motorischer-Kraft (EMK) und Stromraumzeiger bei digital feldorientiert geregelten Synchronantrieben gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte:

• 5.1 Trennen des Synchronantriebs vom Umrichter und Anschlie­ ßen an eine Vorschaltelektronik,
• 5.2 Ermittlung von Phasennulldurchgängen der Antriebs-EMK mittels der Vorschaltelektronik, insbesondere nach den Verfahrensschritten 1.3 bis 1.5, wobei eine Trigger­ schwelle für eine Mindest-Antriebs-EMK vorgegeben wird,
• 5.3 Vorgabe der Phasennulldurchgänge als Rechtecksignal, wel­ ches als Referenzsignal in die Geberleitung eines Lagege­ bers oder in einen BERO-Eingang des Umrichters einge­ schleift wird,
• 5.4 Erfassen der Rotorlage zum Zeitpunkt eines Phasennull­ durchganges der Antriebs-EMK und Vergleichen mit einer Referenzlage bei Synchronität,
• 5.5 Erreichung der Synchronität mittels eines Korrekturwin­ kels zwischen erfaßter Rotorlage und Referenzlage,
• 5.6 Trennen des Synchronantriebs von der Vorschaltelektronik und Anschluß an den Umrichter.

6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche mit einem Synchron-Linearantrieb.