DE202017106551U1

DE202017106551U1 - Multi-motor drive

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Publication number: DE202017106551U1
Application number: DE202017106551.0U
Authority: DE
Original assignee: Ebm Papst Mulfingen GmbH and Co KG
Current assignee: Ebm Papst Mulfingen GmbH and Co KG
Priority date: 2017-10-27
Filing date: 2017-10-27
Publication date: 2017-11-13
Anticipated expiration: 2027-10-28

Abstract

Anordnung aus zwei oder mehreren EC-Motoren an einem Umrichter, wobei zum Einstellen des Arbeitspunktes der EC-Motoren eine gemeinsame Regelung mit wenigstens einem Regler vorgesehen ist, und der Regler so ausgebildet ist, dass eine Kombination von wenigstens einer Regelungsoption und einer Unteroption vorgesehen ist und dabei eine Regelgröße die Spannungsstellung am Ausgang des Umrichters derart regelt, dass die zwei oder mehreren EC-Motoren im Betrieb einen stabilen Arbeitspunkt einnehmen oder einer bestimmungsgemäßen Abfolge von Arbeitspunkten stabil folgen.Arrangement of two or more EC motors to a converter, wherein for setting the operating point of the EC motors, a common control is provided with at least one controller, and the controller is designed so that a combination of at least one control option and a sub-option is provided and while a controlled variable controls the voltage position at the output of the inverter so that the two or more EC motors occupy a stable operating point during operation or stable follow an intended sequence of operating points.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung aus mehrerer elektronisch kommutierter Motoren (EC-Motoren) an einem einzigen Umrichter.The invention relates to an arrangement of a plurality of electronically commutated motors (EC motors) on a single inverter.

Im Stand der Technik werden für den Betrieb eines elektronisch kommutierten Motors typischerweise je ein Umrichter, wie z. B. ein Wechselrichter oder Frequenzumrichter für den Betrieb des Motors verwendet. Werden für eine Anwendung mehrere Motoren benötigt, ließen sich durch die Verwendung lediglich eines gemeinsamen Umrichters Kosten sparen. Im Stand der Technik gibt es bereits Ansätze, wie mehrere Motoren als Master-Slave System angesteuert werden können. In der Publikation von Yongjae Lee and J. I. Ha, ”Minimization of stator currents for mono inverter dual parallel PMSM drive system”, 2014 International Power Electronic Conference (IPEC – Hiroshima 2014 – ECCE ASTA) pp. 3140–3144 wird ein Steuerungsverfahren und die Art und Weise der Regelung von zwei parallelgeschalteten Maschinen beschrieben. Hierbei wird ein Stromregler zur Erzeugung eines d-Stromanteils im entsprechenden d/q-System eingesetzt.In the prior art for the operation of an electronically commutated motor are typically each a converter, such. As an inverter or frequency converter for the operation of the engine used. If several motors are required for one application, the use of just one common converter would save costs. In the prior art, there are already approaches on how several motors can be controlled as a master-slave system. In the publication of Yongjae Lee and JI Ha, "Minimization of stator currents for mono inverter dual parallel PMSM drive system", 2014 International Power Electronic Conference (IPEC - Hiroshima 2014 - ECCE ASTA) pp. 3140-3144 describes a control method and the way of controlling two parallel machines. In this case, a current controller is used to generate a d-current component in the corresponding d / q system.

In der Publikation von D. Bidart, M. Pietrzak-David, P. Maussion and M. Fadel, ”Mono inverter multi-parallel permanent magnet synchronous motor: structure and control strategy”, in IET Electric Power Applications, vol. 5, no. 3, pp. 288–294, March 2011 wird eine Regelungslösung zum Betrieb mehrerer PMSM beschrieben, wobei ein Referenzmotor zur Regelung verwendet wird und die Art und Weise, wie der für die Regelung notwendige Referenz-Motor dynamisch zur Laufzeit bestimmt wird. Als Referenz-Motor wird derjenige Motor der mehreren PMSM gewählt, der mit dem höchsten Drehmoment belastet wird.In the publication of D. Bidart, M. Pietrzak-David, P. Maussion and M. Fadel, "Mono inverter multi-parallel permanent magnet synchronous motor: structure and control strategy", in IET Electric Power Applications, vol. 5, no. 3, pp. 288-294, March 2011 A control solution is described for operating multiple PMSMs using a reference motor for control and the manner in which the reference motor required for control is determined dynamically at runtime. As the reference motor that engine of the several PMSM is selected, which is loaded with the highest torque.

Es besteht ein Bedarf danach, die Regelung von zwei oder mehreren EC-Motoren weiter zu optimieren, um die Kosten für die benötigte Elektronik zu reduzieren und die Betriebsweise der Motoren zu optimieren.There is a need to further optimize the control of two or more EC motors to reduce the cost of the electronics required and to optimize the operation of the motors.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren bereit zu stellen, um zwei oder mehrere Motoren an einem Umrichter betreiben zu können, womit ein zuverlässiges und stabiles Regelverhalten der beteiligten Motoren erzielt werden soll.It is therefore an object of the present invention to provide a method for operating two or more motors on a converter, whereby a reliable and stable control behavior of the motors involved is to be achieved.

Diese Aufgabe wird gelöst mit einer Anordnung nach Anspruch 1.This object is achieved with an arrangement according to claim 1.

Ein Aspekt der Erfindung besteht darin, das Regelungsverfahren so auszugestalten, dass mit Hilfe einer Winkel- und Drehzahldifferenzauswertung die Spannungsstellung am Ausgang des Umrichters derart geregelt wird, dass die zwei oder mehreren EC-Motoren im Betrieb einen stabilen Arbeitspunkt einnehmen bzw. einer bestimmungsgemäßen Abfolge von Arbeitspunkten folgen.An aspect of the invention is to design the control method so that the voltage position at the output of the converter is controlled by means of an angle and speed difference evaluation such that the two or more EC motors occupy a stable operating point during operation or an intended sequence of Follow work points.

Dies kann durch die Verwendung einer der drei folgenden Regelungsoptionen erreicht werden. Regelungsoption 1: Veränderung der Amplitude der Ausgangsspannung des Umrichters, Regelungsoption 2: Veränderung der Phasenlage der Ausgangsspannung des Umrichters und Regelungsoption 3: Veränderung von Amplitude und Phasenlage der Ausgangsspannung des Umrichters, kombiniert mit vorzugsweise je einer der folgenden Unteroptionen.This can be achieved by using one of the following three control options. Control Option 1: Change the amplitude of the output voltage of the drive, Control option 2: Change the phase of the output voltage of the drive and Control option 3: Change the amplitude and phase of the drive output voltage, preferably combined with one of the following sub-options.

Als Regelungsoption 1, 2 und 3 werden im Sinne dieser Erfindung primäre Regelungsoptionen verstanden, während die Unteroptionen im Sinne von sekundären Optionen verstanden werden. Somit wird zunächst eine der drei primären Regelungsoptionen ausgewählt und daran angeschlossen sekundäre Optionen, im Folgenden „Unteroptionen” genannt.For the purposes of this invention, regulation option 1, 2 and 3 mean primary regulation options, while sub-options are understood in the sense of secondary options. Thus, one of the three primary control options is initially selected and attached to it are secondary options, hereafter called "suboptions".

Als Unteroption werden erfindungsgemäß vorgeschlagen, ein Motorreferenzsystem zur Regelung zu verwenden, den Betriebspunkt über einen Drehzahlregler, den Aussteuerungsgrad oder eine reine Stromregelung vorzunehmen und/oder die Sicherstellung eines bzw. des bevorzugten Betriebspunktes über eine Stromphasenregelung, eine mathematische Regelungsfunktion oder über Wertezuordnungstabellen vorzunehmen. Somit ergeben sich folgenden Unteroptionen: Unteroption 1: Wahl des Refenzmotors/Referenzsystems, Unteroption 2: Wahl des Betriebspunktes und Unteroption 3: Sicherstellung eines bzw. des bevorzugten Betriebspunktes.As a sub-option, the invention proposes to use a motor reference system for control, to make the operating point via a speed controller, the degree of control or a pure current control and / or ensure the securing of one or the preferred operating point via a current phase control, a mathematical control function or value assignment tables. This results in the following sub-options: sub-option 1: choice of reference motor / reference system, sub-option 2: choice of operating point and sub-option 3: ensuring one or the preferred operating point.

Betreffend der Unteroption 1 wird als Motorreferenzsystem wahlweise der Motor mit der höchsten Drehzahl, der Motor mit der niedrigsten Drehzahl, ein beliebiger sich im System befindender Motor der mehreren EC-Motoren oder alternativ ein fiktiver Referenzmotor verwendet. Die Auswahl des Referenzmotors im Steuerungs- bzw. Regelungssystem wirkt sich im Wesentlichen auf die statische und dynamische Stabilität des Systems, sowie auf die Effizienz, mit welcher die Motoren bzw. das gesamte System betrieben werden können, aus.Regarding sub-option 1, the motor reference system used is optionally the highest speed motor, the lowest speed motor, any one of several EC motors in the system, or alternatively a fictitious reference motor. The selection of the reference motor in the control system essentially affects the static and dynamic stability of the system, as well as the efficiency with which the motors or the entire system can be operated.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen werden, dass der in Bezug auf die Phasenlage am weitesten vorrauseilende Motor, der damit gleichzeitig auch der am schwächsten belastete Motor darstellt, als Referenzmotor für die Steuerung des Motorensystems dient. Dieser Motor ist zugleich derjenige Motor, der die größte Feldverstärkung im magnetischen Feld erfährt. Alle anderen Motoren erfahren währenddessen eine geringere Feldverstärkung oder eine Feldschwächung und bilden dadurch ein höheres Drehmoment als der vorauseilende Motor aus.In an advantageous embodiment of the invention can be provided that in terms of the phase position furthest vorrauseilende engine, which thus also represents the least-loaded engine at the same time, serves as a reference motor for the control of the engine system. This motor is at the same time the engine that experiences the largest field amplification in the magnetic field. All other motors meanwhile experience a lower field gain or field weakening and thereby form a higher torque than the leading engine.

In einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung dient der am weitesten nacheilende Motor, der gleichzeitig auch der am stärksten belastete Motor darstellt, als Referenzmotor. Dieser Motor ist zugleich derjenige Motor, der die größte Feldschwächung im Feld erfährt. Sofern allerdings die Betriebsweise Feldverstärkung zur Anwendung kommt, erfährt dieser Motor die geringste Feldverstärkung. Alle weiteren vom gleichen Umrichter im System geregelten Motoren erfahren eine geringere Feldschwächung oder eine Feldverstärkung und bilden dadurch ein geringeres Moment aus, als der nacheilende Referenzmotor.In an alternative embodiment of the invention, the furthest lagging motor, which also represents the most heavily loaded engine at the same time, serves as a reference engine. This engine is also the engine that experiences the largest field weakening in the field. However, if the mode field gain is applied, this motor will experience the lowest field gain. All other motors controlled by the same converter in the system experience less field weakening or field amplification and thus produce a lower torque than the lagging reference motor.

In einer weiteren alternativen Ausgestaltung der Erfindung dient ein beliebig ausgewählter Motor im System als Referenzmotor. In einer solchen Regelungstopologie kann einer der vom Umrichter angesteuerten EC-Motoren in seinem optimalen Betriebspunkt eingestellt werden, während die anderen Motoren entsprechend in Bezug auf die Phasenlage vor- oder nachlaufen.In a further alternative embodiment of the invention, an arbitrarily selected motor in the system serves as a reference motor. In such a control topology, one of the EC motors driven by the inverter can be set at its optimum operating point, while the other motors are correspondingly advanced or lagged in relation to the phase position.

Alternativ kann im Regelungsverfahren zur Steuerung der am Umrichter betriebenen EC-Motoren auch vorgesehen sein, dass der jeweilige Referenzmotor dynamisch gewechselt wird, so dass abhängig vom Betriebsverhalten jeweils ein anderer Motor als Referenzmotor dient.Alternatively, it can also be provided in the control method for controlling the EC motors operated on the converter that the respective reference motor is changed dynamically, so that, depending on the operating behavior, in each case a different motor serves as the reference motor.

In einer anderen Regelungsoption des Regelungsverfahrens wird als Referenzmotor ein fiktiver Motor verwendet, dessen Winkellage z. B. über eine geeignete Gewichtung der Winkellagen aller am Umrichter betriebenen Motoren bestimmt wird. Somit erhält der fiktive Motor eine theoretische Phasenverschiebung, die sich aus der Summe der Winkellagen mehrerer oder aller am gleichen Umrichter in Betrieb befindlichen EC-Motoren ergibt.In another control option of the control method, a fictitious motor is used as the reference motor whose angular position z. B. determined by a suitable weighting of the angular positions of all motors operated on the inverter. Thus, the fictitious motor receives a theoretical phase shift, which results from the sum of the angular positions of several or all operating on the same inverter EC motors.

Durch eine solche Gewichtung der Winkellagen der beteiligten Motoren lassen sich vielfältige Einstell- und Regelmöglichkeiten realisieren. Hierdurch lässt sich bspw. der effizienteste Betriebspunkt des gesamten Antriebssystems, die Regelreserve eines bestimmten Motors oder des gesamten Systems entsprechend der Gewichtung einstellen.By such a weighting of the angular positions of the motors involved, a variety of adjustment and control options can be realized. As a result, for example, the most efficient operating point of the entire drive system, the control reserve of a particular engine or the entire system can be adjusted according to the weighting.

Das für die Regelung relevante Referenzkoordinatensystem ergibt sich aus der Wahl des Referenzmotors. Bei Verwendung eines feldorientierten bzw. rotorfesten Koordinatensystems ist ein solches Koordinatensystem beim Anschluss mehrerer EC-Motoren an einem gemeinsamen Umrichter jedoch nicht eindeutig bestimmt, da jeder EC-Motor ein eigenes rotorfestes Koordinatensystem besitzt. Wenn noch eine unterschiedliche Belastung der EC-Motoren und/oder wenn abweichende Motorparameter hinzukommen, weichen die Koordinatensysteme sowohl statisch als auch dynamisch alle voneinander ab. Je nach Ansteuerung des Betriebspunktes gemäß einer Drehzahlregelung, Aussteuergradstellung oder reiner Stromregelung ergibt sich dann durch die entsprechende Wahl des Referenzmotors auch das entsprechende Referenzkoordinatensystem mit seinem Transformationswinkel γ_ref.The reference coordinate system relevant for the control results from the choice of the reference motor. However, when using a field-oriented or rotor-fixed coordinate system, such a coordinate system is not clearly determined when connecting several EC motors to a common converter, since each EC motor has its own rotor-fixed coordinate system. If there is still a different load on the EC motors and / or if deviating motor parameters are added, the coordinate systems differ both statically and dynamically. Depending on the control of the operating point according to a speed control, Aussteuergradstellung or pure current control is then given by the appropriate choice of the reference motor and the corresponding reference coordinate system with its transformation angle γ _ref .

Die Beschreibung der elektrischen Größen in dem Steuerungssystem erfolgt dabei ausschließlich in diesem vom gewählten Referenzmotor abhängigen Referenzkoordinatensystem.The description of the electrical variables in the control system takes place exclusively in this reference coordinate system dependent on the selected reference motor.

Der vom Umrichter bereit zu stellende Ausgangsspannungszeiger Uxy setzt sich aus den Größen Ux und Uy zusammen, welche senkrecht aufeinander stehen. Im Sonderfall, dass keine Feldschwächung gegeben ist, so dass der Spannungszeiger u und der Stromzeiger i des Umrichters genau um den Belastungswinkel φ gegeneinander verschoben sind, ergibt sich durch (Clark/Park) Transformation des Spannungszeigers Uxy mit dem Winkel γ_ref + φ und anschließender Rücktransformation mit dem Winkel γ_ref der feldorientierte Spannungszeiger Udq im Referenzkoordinatensystem.The output voltage vector Uxy to be provided by the converter is composed of the variables Ux and Uy, which are perpendicular to one another. In the special case that there is no field weakening, so that the voltage vector u and the current vector i of the inverter are shifted exactly by the load angle φ, the result is (Clark / Park) transformation of the voltage vector Uxy with the angle γ _ref + φ and subsequent Back transformation with the angle γ _ref the field-oriented voltage vector Udq in the reference coordinate system.

In Bezug auf den zuvor genannten Aspekt der Wahl des Betriebspunktes ergeben sich folgende Ausgestaltungsmöglichkeiten als Unteroption 2. Dabei kann mittels eines Drehzahlreglers durch regelmäßigen oder kontinuierlichen Vergleich von Ist- und Solldrehzahl dafür gesorgt werden, dass die EC-Motoren über die Ausgangsspannung am Umrichter in ihrem gewünschten Betriebspunkt gehalten werden.With regard to the above-mentioned aspect of the choice of the operating point, the following design options arise as a sub-option 2. It can be ensured by means of a speed controller by regular or continuous comparison of actual and set speed that the EC motors on the output voltage at the inverter in their desired operating point are kept.

Alternativ kann der gewünschte Betriebspunkt auch über die Vorgabe eines fixen Aussteuergrades bzw. Tastgrads vom Umrichter erreicht werden. Der Betriebspunkt stellt sich dann automatisch ein.Alternatively, the desired operating point can also be achieved by specifying a fixed modulation or duty cycle from the converter. The operating point then adjusts automatically.

Ebenfalls von Vorteil ist ein Regelbetrieb, bei dem die Wahl eines Betriebspunktes mittels eines Stromreglers realisiert wird. Dieser Stromregler prägt auf den Motorwicklungen den gewünschten Sollstrom ein. Dies kann z. B. erforderlich sein, wenn der Motor als Lastmaschine betrieben werden soll.Another advantage is a control operation, in which the choice of an operating point is realized by means of a current regulator. This current controller impresses the desired set current on the motor windings. This can be z. B. be required when the engine is to be operated as a load machine.

In Bezug auf den zuvor genannten Aspekt der Sicherstellung des bevorzugten Betriebspunktes ergeben sich folgende Ausgestaltungsmöglichkeiten als Unteroption 3. Als Vorauswahl für das Regelungsverfahren ist zunächst die passende Wahl des Referenzsystems d. h. des Referenzmotors, dessen Betriebswerte (wie z. B. Drehzahl oder Phasenlage) als Referenz beim Regelbetrieb genutzt werden, entscheidend, um den bevorzugten Betrieb zu erreichen. Bei Verwendung eines Stromphasenreglers sorgt dieser dafür, dass der resultierende Strom genau den erforderlichen d-Strom-Anteil im dq-System enthält. Durch diese Maßnahme wird der bevorzugte Betriebspunkt im Regelbetrieb erreicht. Hierzu stellt der Stromphasenregler an seinem Ausgang den Phasenwinkel Δγ ein. Dieser Winkel Δγ entspricht im eingeschwungenen Zustand des Referenzmotors genau der sich durch die Belastung des Referenzmotors ergebenden Phasenverschiebung φ. Dieser Winkel kann alternativ auch über eine geeignete mathematische Funktion (z. B. in Abhängigkeit der Belastung und der Drehzahl des Motors) bestimmt werden, um einen bevorzugten Betriebspunkt zu erreichen.With regard to the above-mentioned aspect of ensuring the preferred operating point, the following configuration options result as a suboption 3. As a pre-selection for the control method, the appropriate choice of the reference system, ie the reference motor, its operating values (such as rotational speed or phase angle) is the reference used in normal operation, crucial to achieve the preferred operation. When using a Current phase controller ensures that the resulting current contains exactly the required d-current share in the dq system. By this measure, the preferred operating point is achieved in the control mode. For this purpose, the current phase controller adjusts the phase angle Δγ at its output. In the steady state of the reference motor, this angle Δγ corresponds exactly to the phase shift φ resulting from the load of the reference motor. Alternatively, this angle can also be determined via a suitable mathematical function (eg as a function of the load and the rotational speed of the motor) in order to achieve a preferred operating point.

Alternativ kann die Regelung des optimalen Betriebspunktes auch dadurch erfolgen, dass eine Wertetabelle mit entsprechenden Korrelationswerten zwischen benötigtem Winkel und Betriebspunkt zum Einsatz kommt, die sicherstellt, dass der für den bevorzugten Betriebspunkt benötigte Winkel auch passend eingestellt wird.Alternatively, the regulation of the optimum operating point can also take place by using a table of values with corresponding correlation values between required angle and operating point, which ensures that the angle required for the preferred operating point is also suitably set.

Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt.Other advantageous developments of the invention are characterized in the subclaims or are shown in more detail below together with the description of the preferred embodiment of the invention with reference to FIGS.

Es zeigen:Show it:

1 ein Regelschaltbild zur Erläuterung einer ersten Ausführungsform der Erfindung, 1 a control diagram for explaining a first embodiment of the invention,

2 den Drehzahlverlauf von drei EC-Motoren an einem Umrichter nach dem ersten Ausführungsbeispiel, 2 the speed curve of three EC motors to a converter according to the first embodiment,

3 den Drehmomentverlauf von drei EC-Motoren an einem Umrichter nach dem ersten Ausführungsbeispiel, wobei zum Zeitpunkt t = 1 s ein beispielhafter Lastsprung bei zwei der drei Motoren stattfindet, 3 the torque curve of three EC motors to a converter according to the first embodiment, wherein at the time t = 1 s an exemplary load jump takes place in two of the three motors,

4 den feldorientierte Stromverlauf von drei EC-Motoren an einem Umrichter nach dem ersten Ausführungsbeispiel und dem beispielhaften Lastverlauf nach 3, 4 the field-oriented current profile of three EC motors to a converter according to the first embodiment and the exemplary load curve 3 .

5 den Drehzahlverlauf der drei EC-Motoren an dem Umrichter nach dem ersten Ausführungsbeispiel und dem besipielhaften Lastverlauf nach 3, und 5 the speed curve of the three EC motors to the inverter according to the first embodiment and the besipielhaften load curve after 3 , and

6 ein Regelschaltbild zur Erläuterung einer alternativen Ausführungsform der Erfindung. 6 a control diagram for explaining an alternative embodiment of the invention.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand der 1 bis 6 näher erläutert, wobei gleiche Bezugszeichen auf gleiche strukturelle und/oder funktionale Merkmale hinweisen.In the following, the invention is based on the 1 to 6 explained in more detail, wherein like reference numerals refer to the same structural and / or functional features.

In der 1 ist ein Regelschaltbild zur Erläuterung einer ersten Ausführungsform der Erfindung gezeigt, unter Verwendung der Regelungsoption 3: Veränderung von Amplitude und Phasenlage der Ausgangsspannung des Umrichters, gezeigt.In the 1 is a control diagram for explaining a first embodiment of the invention shown using the control option 3: change of amplitude and phase of the output voltage of the inverter, shown.

Als eine erste Unteroption wurde als Referenzmotor der Motor mit der höchsten Drehzahl verwendet, als zweite Unteroption zum Einstellen eines Arbeitspunktes wurde eine Drehzahlregelung über den in der 1 gezeigten Drehzahlregler 10 vorgenommen und als dritte Unteroption wurde eine Stromphasenregelung verwendet, die am Ausgang den Phasenwinkel Δγ einstellt und zwar zur Steuerring des feldorientierten Spannungszeigers im dq-Referenz-koordinatensystem mit einem Stromphasenregler 20.As a first sub-option, the engine with the highest speed was used as a reference engine, as a second sub-option for setting an operating point was a speed control over the in the 1 speed controller shown 10 and, as a third sub-option, use was made of a current phase regulation which sets the phase angle Δγ at the output to the control ring of the field-oriented voltage vector in the dq reference coordinate system with a current-phase regulator 20 ,

Im vorliegenden Ausführungsbeispiel dient der schnellste, d. h. der am schwächsten belastete Motor, als Referenzmotor. Er stellt damit gleichzeitig auch die Referenz für das Referenzkoordinatensystem dar. Die Wahl des schnellsten bzw. am schwächsten belasteten Motors als Referenzmotor sorgt für die höchste Dynamik im Regelsystem.In the present embodiment, the fastest, d. H. the weakest loaded engine, as a reference engine. At the same time it is the reference for the reference coordinate system. The choice of the fastest or weakest loaded motor as the reference motor ensures the highest dynamics in the control system.

In einem weiteren Schritt wird festgelegt, wie der gewünschte Betriebspunkt der Motoren eingestellt werden soll. Im vorliegenden Fall wird ein Drehzahlregler verwendet. Durch Vorgabe einer Solldrehzahl ω* berechnet der Drehzahlregler 10 (hier in Form eines PI-Reglers) durch Vergleich mit den rückgeführten gewichteten Drehzahlen aller Motoren ω_x eine Sollspannung u. Diese führt durch Transformation mit dem Phasenwinkel γ_ref (also ohne Berücksichtigung einer Phasenkorrektur) lediglich zu einer Spannung in q-Richtung im dq-Koordinatensystem an dem Referenzmotor. Berücksichtigt man nun das Ersatzschaltbild der EC-Motoren, führt diese Spannung zu einem sich ausbildenden feldbildenden Stromanteil in d-Richtung sowie einem weiteren drehmomentbildenden Stromanteil in q-Richtung. Die weiteren Motoren erfahren dadurch zwar ein Moment und erreichen einen stabilen Betriebspunkt, dieser Arbeitspunkt ist jedoch aufgrund des unbeeinflussten d-Anteils i. d. R. nicht der effizienteste Arbeitspunkt. Dazu muss die Phasenlage und damit der Phasenwinkel der Ausgangsspannung am Umrichter noch geeignet angepasst werden.In a further step, it is determined how the desired operating point of the motors should be set. In the present case, a speed controller is used. By specifying a setpoint speed ω *, the speed controller calculates 10 (here in the form of a PI controller) by comparison with the recirculated weighted speeds of all motors ω _x a target voltage u. This leads by transformation with the phase angle γ _ref (ie without taking into account a phase correction) only to a voltage in the q direction in the dq coordinate system at the reference motor. Taking into account the equivalent circuit diagram of the EC motors, this voltage leads to a forming field-forming current component in the d-direction and another torque-forming current component in the q-direction. Although the other motors experience a moment and achieve a stable operating point, this operating point is usually not the most efficient operating point due to the unaffected d-component. For this purpose, the phase angle and thus the phase angle of the output voltage at the inverter must be suitably adapted.

Zur Anpassung der Phasenlage und damit der Einstellung eines bevorzugten Arbeitspunktes wird in der vorliegenden Ausführungsform ein Stromphasenregler 20 benutzt, um die gewünschte Phasenlage des Stroms sicherzustellen. Der Stromphasenregler 20 bestimmt mit Hilfe einer geeigneten Gewichtung der gemessenen Ströme i_x (im einfachsten Fall nur i_Umrichter) die aktuellen feldorientierten Anteile des Stroms in d-Richtung und q-Richtung bezogen auf das dq-Referenzkoordinatensystem. Die vom Phasendetektor ermittelte Abweichung zum gewünschten Sollwert wird auf einen Regler (z. B. einen PI-Regler) gegeben. Der vom Regler 21 berechnete Wert Δγ für den Phasenwinkel sorgt nun im eingeschwungenen Zustand dafür, dass der aus Sicht des Referenzsystems gewünschte d-Strom eingestellt wird.To adjust the phase position and thus the setting of a preferred operating point is in the present embodiment, a current phase controller 20 used to ensure the desired phase position of the current. The current phase regulator 20 determined by means of a suitable weighting of the measured currents i _x (in the simplest case only i _inverter ) the current field-oriented components of the current in d-direction and q-direction with respect to the dq reference coordinate system. The The deviation determined by the phase detector to the desired setpoint is given to a controller (eg a PI controller). The one from the regulator 21 calculated value Δγ for the phase angle now ensures in the steady state that the d-current desired from the point of view of the reference system is set.

Durch unterschiedliche Belastung der EC-Motoren oder abweichende Motorparameter der jeweiligen EC-Motoren können sich Differenzen in den Drehzahlen bzw. Drehwinkeln der einzelnen Motoren ergeben. Hier kommt nun der in der 1 gezeigte Stabilisierungsregler 30 zum Einsatz. Wenn sich das System vor der auftretenden Abweichung im eingeschwungen Zustand befunden hat, bedeutet dies, dass u_y genau in die Richtung von i_q zeigt. Abhängig von der Größe der Differenzen bei der Drehzahl und dem Drehwinkel berechnet der Stabilisierungsregler nun eine Spannung ux, die senkrecht auf der vom Drehzahlregler ermittelten Spannung uy, und damit auch senkrecht auf iq steht. Diese Spannung erzeugt also im ersten Moment einen rein feldbildenden Strom. Läuft einer der EC-Motoren nun dem Referenzmotor nach, wird ein negativer ux = ud Spannungszeiger eingestellt. Dieser erzeugt eine rein feldschwächende Wirkung im schneller laufenden Referenzmotor, was jedoch nur geringe Auswirkungen auf das erzeugte Drehmoment im Referenzmotor hat. Im nachlaufenden Motor wird durch die Drehwinkeldifferenz sowohl eine feldschwächende Wirkung als auch eine drehmomentbildende Wirkung erzeugt, was eine Erhöhung des drehmomentbildenden Stroms im nachlaufenden Motor zur Folge hat. Der nachlaufende Motor wird dadurch beschleunigt und die Drehzahldifferenz verringert sich in der Regelstrecke vorzugsweise bis auf Null. Dieses Regelungsverfahren wirkt in umgekehrter Weise natürlich auch für gegenüber dem Referenzmotor vorlaufende Motoren abbremsend.Different loadings of the EC motors or deviating motor parameters of the respective EC motors may result in differences in the speeds or angles of rotation of the individual motors. Here comes the one in the 1 Stabilization controller shown 30 for use. If the system was in the steady state prior to the occurring deviation, it means that u _{y points} exactly in the direction of i _q . Depending on the size of the differences in the speed and the angle of rotation, the stabilization controller now calculates a voltage ux which is perpendicular to the voltage uy determined by the speed controller and thus also perpendicular to iq. This voltage thus generates at the first moment a purely field-forming current. If one of the EC motors now runs after the reference motor, a negative ux = ud voltage vector is set. This produces a purely field-weakening effect in the faster-running reference engine, which, however, has only a small effect on the torque generated in the reference engine. In the trailing engine, both the field-weakening effect and the torque-forming effect are produced by the rotational angle difference, which results in an increase in the torque-generating current in the trailing motor. The trailing motor is thereby accelerated and the speed difference is reduced in the controlled system preferably to zero. This control method works in the reverse manner, of course, also for opposite the reference engine leading motors decelerating.

Läuft somit einer der EC-Motoren nun dem ausgewählten Referenzmotor nach, sorgt der ermittelte Korrekturwinkel für eine zusätzliche Verdrehung des gestellten Spannungszeigers. Dies hat zur Folge, dass sich bei allen nachlaufenden Motoren dadurch eine negative Änderung des d-Strom-Anteils ergibt und diese Motoren ein größeres Drehmoment ausbilden als im vorausgehenden, unkorrigierten Betriebspunkt. Diese Motoren werden somit beschleunigt bzw. vergrößern ihre Drehzahl.Thus, if one of the EC motors now runs after the selected reference motor, the determined correction angle ensures an additional rotation of the set voltage vector. This has the consequence that for all trailing engines thereby a negative change in the d-current component results and these engines form a larger torque than in the previous, uncorrected operating point. These motors are thus accelerated or increase their speed.

Ebenso wird bei allen vorauseilenden EC-Motoren eine positive Änderung des d-Strom-Anteils herbeigeführt, wodurch diese EC-Motoren weniger Moment ausbilden als im vorherigen Betriebspunkt und dadurch abgebremst werden.Likewise, with all leading EC motors, a positive change in the d-current component is brought about, as a result of which these EC motors generate less torque than in the previous operating point and are thus decelerated.

In den Abbildungen gemäß den 2, 3 und 4 werden der Drehmomentverlauf, der Drehzahlverlauf und der feldorientierte Stromverlauf von drei beispielhaften parallel geschalteten EC-Motoren an einem Umrichter im Regelbetrieb nach dem ersten Ausführungsbeispiel gezeigt.In the pictures according to the 2 . 3 and 4 the torque curve, the speed curve and the field-oriented current waveform of three exemplary parallel-connected EC motors are shown on a converter in the control mode according to the first embodiment.

Dabei werden, wie in der 2 gezeigt, die EC-Motoren aus dem Stillstand auf eine Drehzahl von 600 U/min angefahren, die zum Zeitpunkt t = 0,4 s nach dem Start erreicht ist. Der Referenzmotor ist der schnellste EC-Motor. Zum Zeitpunkt t = 1 s erfahren die beiden anderen EC-Motoren unterschiedliche Lastsprünge, wie in der 3 gezeigt, was zu einer, wie in der 5 dargestellten Drehzahlabweichung führt. Diese Lastsprünge werden durch den in der 1 gezeigten Stabilisierungsregler abgefangen. Der Phasenregler sorgt anschließend für eine Minimierung des resultierenden d-Stroms. Betreffend dem feldorientierten Stromverlauf wird auf die 4 verwiesen.It will, as in the 2 shown, the EC motors approached from standstill to a speed of 600 rev / min, which is reached at the time t = 0.4 s after the start. The reference engine is the fastest EC motor. At the time t = 1 s, the other two EC motors experience different load jumps, as in the 3 shown what to a, as in the 5 shown speed deviation leads. These load jumps are caused by in the 1 intercepted stabilization controller shown. The phase controller then ensures a minimization of the resulting d-current. Regarding the field oriented current waveform is applied to the 4 directed.

In der 6 ist ein Regelschaltbild zur Erläuterung einer zweiten Ausführungsform der Erfindung mit einer anderen Regelungstopologie gezeigt, bei der die Regelungsoption 2: Veränderung der Phasenlage der Ausgangsspannung des Umrichters zur Anwendung kommt. Als Unteroptionen wurden, wie im ersten Ausführungsbeispiel als Referenzmotor der Motor mit der höchsten Drehzahl, zum Einstellen eines Arbeitspunktes eine Drehzahlregelung und zur Einstellung des bevorzugten Betriebspunkt eine Stromphasenregelung verwendet. Weiter umfasst diese Ausführungsform einen Begrenzer für die Spannung.In the 6 is a control diagram for explaining a second embodiment of the invention with a different control topology shown, in which the control option 2: change the phase position of the output voltage of the inverter is used. As sub-options, as in the first embodiment as a reference engine, the motor with the highest speed, for setting an operating point, a speed control and for setting the preferred operating point, a current phase control. Furthermore, this embodiment comprises a limiter for the voltage.

Wie bereits beim ersten Ausführungsbeispiel erläutert, können sich durch unterschiedliche Belastungen der Motoren oder abweichende Motorparameter Differenzen in den Drehzahlen bzw. Drehwinkeln der EC-Motoren ergeben. Der Stabilisierungsregler berechnet abhängig von den Differenzen bei Drehzahl und Drehwinkel einen Korrekturwinkel γ_stab. Läuft einer der EC-Motoren nun dem ausgewählten Referenzmotor nach, sorgt der ermittelte Korrekturwinkel für eine zusätzliche Verdrehung des gestellten Spannungszeigers. Dies hat zur Folge, dass sich bei allen nachlaufenden Motoren dadurch eine negative Änderung des d-Strom-Anteils ergibt und diese Motoren ein größeres Drehmoment ausbilden als im vorausgehenden, unkorrigierten Betriebspunkt. Diese Motoren werden somit beschleunigt bzw. vergrößern ihre Drehzahl. Ebenso wird bei allen vorauseilenden EC-Motoren eine positive Änderung des d-Strom-Anteils herbeigeführt, wodurch diese EC-Motoren weniger Moment ausbilden als im vorherigen Betriebspunkt und dadurch abgebremst werden.As already explained in the first exemplary embodiment, differences in the rotational speeds or angles of rotation of the EC motors can result from different loads on the motors or deviating engine parameters. The stabilization controller calculates a correction angle γ _stab , depending on the differences in speed and angle of rotation. If one of the EC motors now runs after the selected reference motor, the determined correction angle ensures an additional rotation of the set voltage vector. This has the consequence that for all trailing engines thereby a negative change in the d-current component results and these engines form a larger torque than in the previous, uncorrected operating point. These motors are thus accelerated or increase their speed. Likewise, with all leading EC motors, a positive change in the d-current component is brought about, as a result of which these EC motors generate less torque than in the previous operating point and are thus decelerated.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

Yongjae Lee and JI Ha, "Minimization of stator currents for mono inverter dual parallel PMSM drive system", 2014 International Power Electronic Conference (IPEC - Hiroshima 2014 - ECCE ASTA) pp. 3140-3144 [0002]
D. Bidart, M. Pietrzak-David, P. Maussion and M. Fadel, "Mono inverter multi-parallel permanent magnet synchronous motor: structure and control strategy", in IET Electric Power Applications, vol. 5, no. 3, pp. 288-294, March 2011 [0003]

Claims

Arrangement of two or more EC motors to a converter, wherein for setting the operating point of the EC motors, a common control is provided with at least one controller, and the controller is designed so that a combination of at least one control option and a sub-option is provided and while a controlled variable controls the voltage position at the output of the inverter so that the two or more EC motors occupy a stable operating point during operation or stable follow an intended sequence of operating points.

Arrangement according to claim 1, characterized in that according to a sub-option, the appropriate selection of a reference motor for the regulation of the operating points of the EC motors is made.

Arrangement according to claim 2, characterized in that as a motor reference system optionally the motor with the highest speed as a reference motor, the motor with the lowest speed, any in-system EC motor, a suitably weighted combination of multiple EC motors or a fictitious Reference motor is used.

Arrangement according to one of claims 1 to 3, characterized in that the voltage position at the output of the inverter by means of an angular and rotational speed difference evaluation between the reference motor and at least one further EC-motor takes place.

Arrangement according to one of claims 1 to 4, characterized in that as a control variable for adjusting a preferred operating point of the EC motors, the change in the amplitude of the output voltage at the inverter, the change in the phase position of the output voltage at the inverter or the change of amplitude and phase of the output voltage be used at the output of the inverter.

Arrangement according to claim 5, characterized in that a further sub-option is combined with one of the control options defined in claim 5, wherein as a further sub-option a speed control, the adjustment of the Aussteuerungsgrads or a pure current control is provided.

Arrangement according to one of claims 1 to 6, characterized in that as a further sub-option, the securing of the stable operating point is performed as an efficient operating point of the EC motors via a current phase control, a mathematical function or value assignment tables.

Arrangement according to one of claims 4 to 7, characterized in that it is ensured by means of a speed controller by regular or continuous comparison of actual and set speed that the EC motors follow the control of the output voltage of the inverter stable any sequence of operating points.

Arrangement according to one of claims 4 to 8, characterized in that the adjustment of the desired operating point of the EC motors by means of specification of a fixed Aussteuergrades or duty cycle is achieved by the inverter.

Arrangement according to one of claims 7 to 9 for ensuring the preferred operating point using a current phase control, wherein the resulting current in the current phase control contains the required d-current component in a dq coordinate system, the current phase controller for this purpose at its output the phase angle Δγ set, which corresponds in the steady state of the engine exactly the resulting from the load of the motor phase shift φ.