DE3430386C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln des Läu­ ferwiderstandes einer Drehfeldmaschine, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 (DE-OS 30 34 251, DE-OS 30 34 252).

Um die rechnerische Behandlung vektorieller Größen sowie die entsprechenden Rechenelemente zu erläutern, wird eine den Erfordernissen der Drucktechnik und der Datenverarbei­ tung angemessene Nomenklatur eingeführt. In Fig. 1 ist durch den Buchstaben F auf ein magnetisches Feld Bezug ge­ nommen. Im gleichen System können auch andere Größen, wie z.B. der Strom durch den Buchstaben I, die Spannung U, die EMK E oder auch die Läuferstellung L dargestellt werden, die im folgenden zur allgemeinen Erläuterung der Nomenkla­ tur durch den Buchstaben A ersetzt sind.

Ausgangspunkt ist eine Behandlung einer Drehfeldmaschine, an der zwei aufeinander und auf der Rotationsachse senkrech­ te, raumfeste Bezugsachse S 1 und S 2 ausgezeichnet sind. (S 1) oder (S 2) in Klammern hinter dem variablen Symbol be­ deuten die Komponenten dieser Größe in diesen Achsrichtun­ gen. Die Läuferachse, Feldachse oder irgendeine andere Grö­ ße, die nur durch Angabe einer Richtung und ohne Rücksicht auf einen Betrag gegeben ist, wird dann durch einen Winkel A(S) (z.B. Läuferwinkel L(S), Feldwinkel F(S)) bezüglich der Achse S 1 angegeben. A(S) bedeutet also den Winkel der (Vek­ tor-)Größe A im ständerfesten Koordinatensystem. Die Richtung der Größe A kann auch durch den in diese Richtung zeigenden Einheitsvektor EA(S) oder in mathematisch gleichwertiger Weise über die Winkelfunktionen

EA(S 1)=cos A(S) (1)
EA(S 2)=sin A(S),

d.h. die "S-bezogenen kartesischen Komponenten" von EA(S) bestimmt werden. Die Umrechnung der polaren Richtungskompo­ nente ("Winkel") A(S) in EA(S 1) und EA(S 2) geschieht über einen "p/K"-Wandler, der im einfachsten Fall aus einem Si­ nus/Cosinus-Funktionsgenerator besteht, während die inverse Umrechnung durch einen "K/p"-Wandler gemäß

geschieht.

Allgemein steht EA(S) auch als Abkürzung für eine auf ihren mit A bezeichneten Betrag | A | normierte vektorielle Größe A (d.h. für den Vektor A /| A |), deren Richtung in einem polaren, auf S 1 bezogenen Koordinatensystem durch die Winkelkoordinate A(S) und in einem durch zwei Achsen S 1 und S 2 gegebenen kartesischen Koordinatensystem durch die beiden Komponenten gemäß (1) gegeben sind.

Muß auch der Betrag A der vektoriellen physikalischen Größe berücksichtigt werden, so ist die entsprechende S-bezogene vektorielle Größe durch ein Wertpaar zu er­ fassen, das als VA(S) bezeichnet und über Signal- Doppelleitungen (in Schaltbildern als Doppelpfeile dar­ gestellt) zu übertragen und bei Additionen, Integra­ tionen, Differentiationen, Multiplikationen, Glättungen etc. entsprechend der Vektorrechnung komponentenweise zu verarbeiten ist. Bei Polardarstellung ist VA(S) durch A und A(S) und bei kartesischer Darstellung durch A(S 1)=A · cos A(S), A(S 2)=A · sin A(S) gegeben, wobei gilt:

VA(S)=A · EA(S)
mit:
A(S 1)=A · EA(S 1)=A · cos A(S) (2)
A(S 2)=A · EA(S 2)=A · sin A(S).

Werden die Komponenten A(S 1) und A(S 2) des Vektors VA(S) einem (auf kartesische Ausgangsgrößen arbeitenden) "Vektor­ analysator" eingegeben, so bildet dieser daraus den Betrag A und den Einheitsvektor EA(S) gemäß

während umgekehrt aus A und EA(S) der Vektor VA(S) durch einfache Multiplikation der Komponenten EA(S 1), EA(S 2) mit A entsteht.

Wird dem das EA(S)-Signal liefernden Ausgang ("Vektoraus­ gang") des Vektoranalysators ein K/p-Wandler nachgeschal­ tet, so entsteht der allgemeine Fall des K/p-Wandlers für den Übergang kartesisch → polar, während ein allgemeiner p/K-Wandler aus der (polaren) Betragskomponente A und (polaren) Richtungskomponente A(S) die kartesischen Kom­ ponenten A(S 1) und A(S 2) nach der Beziehung (2) liefert. Da der Winkel A(S) und der Einheitsvektor EA(S) mathema­ tisch äquivalent sind, handelt es sich also bei einem K/p-Wandler um einen "auf polare Ausgangsgrößen arbeiten­ den Vektoranalysator".

Die Vektorgrößen können auch in einem anderen, z.B. läuferfesten Koordinatensystem mit den Achsen L 1 und L 2 dargestellt werden.

Werden bei Vorgabe eines Dreh-Winkels, z.B. L(S) in Fig. 1, die Achsen S 1 und S 2 um L(S) gedreht, so ergeben sich die Achsen L 1 und L 2. Die vektorielle Größe VA(S) geht dann bezüglich der Achsen L 1, L 2 in die vektorielle Größe VA(L) mit der neuen, "L-bezogenen" polaren Richtungskomponente

A(L)=A(S)-L(S) (3)

und unverändertem Betrag über. Die entsprechende Trans­ formation VA(S)→VA(L) der kartesischen Komponenten A(S 1) und A(S 2) in die kartesischen Komponenten A(L 1) und A(L 2) kann durch Hintereinanderschaltung von K/P-Wandlung, Win­ kelsubstraktion gemäß (3) und P/K-Wandlung, oder - einfa­ cher - einen "Vektordreher" erfolgen, dem an einem Vektor­ signaleingang VA(S) in Form von A(S 1) und A(S 2) und an einem Winkelsignaleingang der Drehwinkel als EL(S), d.h. als cos L(S) und sin L(S) zugeführt sind.

Physikalische Größen sind unabhängig vom zu ihrer mathema­ tischen Darstellung benötigten Koordinatensystem, so daß die physikalische Größe in Beziehungen, bei denen es auf ihre Darstellung nicht ankommt und die wahlweise in einem beliebigen Bezugssystem mathematisch dargestellt werden können, häufig auf das in Klammern gesetzte Bezugssystem verzichtet wird. Ist also z.B. bezüglich einer raumfesten Achse S 1 mit L(S) der Läuferstellungswinkel, mit F(S) den Drehfeldachsen-Lagewinkel und mit F der Betrag des Dreh­ feldes einer Drehfeldmaschine bezeichnet, so gibt gemäß Fig. 1 also der Vektor EL die d-Achse des Läufers, der Einheitsvektor EF die Drehfeldachse und der Vektor VF das Drehfeld selbst an. Mit F(L 1) und F(L 2) sind die Feld­ stärke in der d- und q-Achse entsprechend den Projektionen des Vektors VF auf L 1 und L 2 und mit F(S 1) und F(S 2) sind die Feldstärken in der S 1- und S 2-Achse des Ständers ent­ sprechend den jeweiligen Projektionen bestimmt.

Ein weiteres häufig benutztes Koordinatensystem ist das feldorientierte Koordinatensystem.

Moderne, hochdynamische Vierquadrantenantriebe mit Dreh­ feldmaschinen arbeiten häufig mit feldorientierter Rege­ lung, d.h. die Sollwerte für die Phasenströme in den Stän­ derwicklungen, die zu einem Ständerstromvektor VI(S) zu­ sammengesetzt werden können, werden so vorgegeben, daß der Vektor des Soll-Ständerstromes einen vorgegebenen Winkel I(F) mit der Achse EF(S) des magnetischen Feldes der Dreh­ feldmaschine einschließt. Benutzt man zur Beschreibung des magnetischen Feldes den Vektor VF(S) des magnetischen Flus­ ses, so ermöglicht die feldorientierte Regelung bei Kennt­ nis der Winkellage des Flußvektors, die zum Flußvektor pa­ rallele Komponente I(F 1) des Ständerstromes (Magnetisie­ rungsstrom) und die zum Flußvektor senkrechte Komponente I(F 2) (Wirkstrom) unabhängig voneinander so vorzugeben, daß über den Magnetisierungsstrom die Stärke des Feldes und über den Wirkstrom das Drehmoment bzw. die Drehzahl eingestellt werden können.

Eine auf diese Weise gesteuerte oder geregelte Drehfeld­ maschine ist in der DE-OS 30 26 202 (VPA 80 P 3107) be­ schrieben. Die für die Feldorientierung nötige Information über den Flußvektor wird dabei von einer Dektektorschaltung geliefert, der Meßwerte für den Ständerstrom und die Stän­ derspannung zugeführt sind und die daraus den EMK-Vektor und durch Integration den Flußvektor der Maschine ermit­ telt. Da jedoch die für die Integration erforderlichen Integratoren eine Nullpunktdrift aufweisen und außerdem bei niedrigen Frequenzen die Meßwerte für die Ständerspan­ nung nur ungenau sind, führt ein derartiges, "Spannungs- Fluß-Modell" oder "Spannungsmodell" genanntes Rechenmo­ dell nur zu einer ungenauen Bestimmung des Flußvektors.

Daher ist in dieser Offenlegungsschrift eine Rechenmodell­ schaltung ("Strom-Fluß-Modell" oder "Strommodell" genannt) vorgesehen, der Meßwerte für den Ständerstrom und die Läuferstellung der Maschine zugeführt sind und die unter Berücksichtigung eines Parameterwertes für den Läuferwi­ derstand einen zusätzlichen Modellvektor für den Flußvek­ tor errechnet. Diese Berechnung bildet die Entstehung des Flusses aus Strom und Spannung in einem dynamischen Rechen­ modell nach.

Da sowohl der Flußvektor wie dessen Modellvektor jeweils zwei Bestimmungsgrößen (z.B. Betrag und Winkel oder kar­ tesische Komponenten des Vektors in einem geeigneten Be­ zugssystem) aufweisen, wird jeder Vektor durch zwei Be­ stimmungsgrößen dargestellt. Aus jeweils einer Bestimmungs­ größe des Flußvektors und des Modellvektors wird die Diffe­ renz gebildet und einem Nullpunktregler zugeführt, so daß die Ausgangsgrößen der beiden Nullpunktregler einen Kor­ rekturvektor darstellen, der nun im EMK-Detektor dem EMK- Vektor bei der zum Flußvektor führenden Integration auf­ geschaltet wird. Dadurch wird erreicht, daß die Abweichung zwischen dem im Spannungsmodell (EMK-Detektor) gebildeten Flußvektor und dem im Strommodell errechneten Modellvek­ tor des Flußvektors stationär auf den Wert Null ausgere­ gelt wird. Es wird also sowohl eine Nullpunktdrift der Integratoren wie auch eine bei niedrigen Frequenzen durch die niedrigen Eingangspegel der Spannungsmeßwerte verur­ sachte begrenzte Verarbeitungsgenauigkeit des Spannungs­ modells korrigiert. Bei niedrigen Frequenzen bestimmt somit der Modellwert des Flußvektors im wesentlichen die Richtung des im EMK-Detektor ermittelten Flußvektors, während jedoch bei höheren Frequenzen der Einfluß des (dynamisch ungenaueren) Strommodells geringer wird.

Dieses bekannte "adaptive Spannungs-Flußmodell" arbeitet mit den kartesischen Komponenten des Flußvektors. Es ist aber auch ein adaptives Spannungsmodell vorgeschlagen worden, das mit den Polarkoordinaten der Vektoren als Bestimmungsgrößen arbeitet (nicht vorveröffentlichte deutsche Patentanmeldung P 33 19 350.9).

Für die Richtungsbestimmung des Flußvektors ist demnach zumindest bei niedrigen Frequenzen erforderlich, daß das Strommodell den tatsächlichen Flußvektor hinreichend genau abbildet, was aber nur möglich ist, wenn die dazu verwendete dynamische Rechenschaltung einen hinreichend genauen Parameterwert für den tatsächlichen Läuferwider­ stand der Maschine verarbeitet. Dieser Läuferwiderstand ist einer direkten Messung nicht zugänglich und außerdem während des Betriebs infolge seiner Abhängigkeit von der stark veränderlichen Läufertemperatur nicht konstant. Man benötigt daher eine Information über den Läuferwiderstand. Dies ist nicht nur bei Verwendung eines adaptiven Span­ nungsmodells, sondern insbesondere auch bei Verwendung eines nichtadaptierten Strommodells nötig. Auch bei ande­ ren Steuerverfahren, z.B. einer Schlupffrequenzsteuerung einer Asynchronmaschine mit einer vom Schlußffrequenz­ sollwert abhängigen Amplitude des Stromes, ist eine Kennt­ nis des Läuferwiderstandes wünschenswert oder erforderlich.

In der DE-OS 30 34 251 ist eine Ermittlung des Läuferwider­ standes einer Asynchronmaschine beschrieben, die zunächst auch aus den Ständerströmen (Stromvektor VI) und den Stän­ derspannungen (Spannungsvektor VU) sowie Parametern für den Ständerwiderstand RS und die Streuinduktivität LSTden EMK-Vektor

und ggf. daraus den Flußvektor VF=∫ VI dt ermittelt (Spannungs­ modell). Ferner ist ebenfalls eine Rechenschaltung vor­ gesehen, die aus der Läuferstellung (Vektor EL) dem Stän­ derstromvektor VI und einem einstellbaren Läuferwiderstand- Parameter R einen Modell-Flußvektor V und ggf. einen Modell-EMK-Vektor VÊ = V berechnet. Sind die Parame­ ter RS und LST des Spannungsmodells hinreichend genau justiert, so weichen die vergleichbaren Vektoren VE und VÊ bzw. VF und V nicht voneinander ab. Daher kann die Abweichung zweier einander entsprechender Bestimmungs­ größen (also z.B. Betrag, Winkel oder eine kartesische Komponente) der vergleichbaren Vektoren dazu verwendet werden, um den Läuferwiderstandsparameter R in der Re­ chenschaltung (Strommodell) so lange nachzustellen, bis die Differenz verschwindet und beide Vektoren deckungs­ gleich werden.

Dieses bekannte Verfahren ist eine statische Methode, da die stationären Abweichungen zwischen den beiden Vektoren ausgeregelt werden. Es arbeitet nur dann mit hoher Ge­ nauigkeit, wenn die Drehfeldmaschine belastet ist und mit höheren Frequenzen betrieben wird, da die im Spannungs­ modell verarbeitete EMK die wesentliche Information für den richtigen Abgleich des Läuferwiderstands-Parameters liefert. Insbesondere für das Anfahren aus dem Stillstand und für niedrige Frequenzen ist es daher wünschenswert, den Läuferwiderstand nach einem anderen Verfahren zu be­ stimmen.

In der DE-OS 30 34 252 (VPA 80 P 3167) ist in Fig. 7 ein weiteres Verfahren beschrieben, das unter Verwendung eines EMK-Detektors (Spannungsmodell) und eines Strommodells auf ähnliche Weise eine Bestimmung des Läuferwiderstands-Para­ meters durch Abgleich der beiden Modelle zu berechnen ge­ stattet. Dieses Verfahren benutzt daneben noch ein drittes Modell, das den Flußvektor aus dem Ständerspannungsvektor und dem Läuferwinkel berechnet. Dieses Verfahren beruht darauf, daß die Blindkomponente der jeweiligen EMK-Vekto­ ren durch Veränderung des Läuferwiderstandsparameters ab­ geglichen wird, während eine Differenz der Wirk-EMK-Kompo­ nenten zur Ausregelung des Ständerwiderstands-Parameters RS im EMK-Detektor verwendet wird. Auch dieses Verfahren ist jedoch im Leerlauf bzw. in der Nähe des Stillstandes der Maschine nicht hinreichend genau.

Ein weiteres Abgleichverfahren ist in der DE-OS 30 34 275 beschrieben und dient zur Bestimmung der Parameterwerte für Ständerwiderstand, Hauptinduktivität und Streuinduk­ tivität einer Asynchronmaschine. Für das erfindungsgemäße Verfahren kann davon ausgegangen werden, daß der Ständer­ widerstandsparameter RS und der Streuinduktivitätspara­ meter LST hinreichend genau bekannt sind.

Bei höheren Drehzahlen und unter Last wird gemäß der EP-PS 00 71 847 eine Maschine befriedigend von einem Strom­ modell gesteuert, dessen Läuferzeitkonstante so lange verän­ dert wird, bis die gemessene Beschleunigung praktisch un­ empfindlich ist gegenüber statistischen Zusatzimpulsen, die dem Magnetisierungsstrom-Sollwert aufgeschaltet werden.

Schließlich sei darauf hingewiesen, daß die im folgenden am Beispiel einer Asynchronmaschine beschriebene Erfindung allgemein für Drehfeldmaschinen verwendbar ist, da sich der EMK-Detektor zur Erfassung der EMK bzw. des Flusses bei einer Synchronmaschine nicht von dem entsprechenden Spannungsmodell einer Asynchronmaschine unterscheidet, während entsprechende Strommodellschaltungen, die den Fluß bei Kenntnis des Läuferwiderstandes aus dem Spannungs­ vektor und der Läuferstellung durch Nachbildung der dyna­ mischen Vorgänge der Maschine ermitteln, sowohl für Syn­ chronmaschinen wie für Asynchronmaschinen bekannt sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine weitere Möglichkeit zur Bestimmung des Läuferwiderstandes anzu­ geben, die nicht auf einen Betrieb bei höheren Frequenzen oder bei nennenswer­ ter Last beschränkt ist und insbesondere im Stillstand oder im Leerlauf angewendet werden kann. Es handelt sich dabei um eine dynamische Methode, die für die Be­ stimmung des Läuferwiderstandes nicht von einer Ausrege­ lung stationärer oder quasi-stationärer Zustände ausgeht, sondern vielmehr nur die Unterschiede auswertet, die sich bei einem dynamischen Aufbau des Flusses ergeben, d.h. bei Änderung des Magnetisierungsstroms der Drehfeldmaschine.

Dies wird erreicht durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Eine entsprechende Vorrichtung ist im Anspruch 7 angegeben. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen enthalten. Insbe­ sondere ergibt sich dabei die Möglichkeit, die Erfindung gemäß Anspruch 6 bei einer feldorientierten Steuerung oder Regelung einer Drehfeldmaschine mit einem eingangs erläuterten adaptiven Spannungsmodell anzuwenden.

Anhand eines Ausführungsbeispieles und zweier weiterer Figuren ist die Erfindung näher erläutert es zeigt:

Fig. 1 ein Zeigerbild zur Erläuterung der Nomenklatur,

Fig. 2 schematisch eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfah­ rens und ihre Anwendung bei der Steuerung einer Drehfeld­ maschine.

Fig. 3 den Verlauf des Flußbetrages und des Modell-Flußbetrages sowie die zur Justierung des Läu­ ferwiderstands-Parameters herangezogenen Integrale.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 2 wird eine Asynchron­ maschine 1 über einen Zwischenkreisumrichter gespeist, dessen netzseitiger Stromrichter 2 die Einstellung der Stromamplitude I ermöglicht, während durch den lastsei­ tigen Stromrichter 3 Frequenz und Phase (also der Vektor EI(S)) des Ständerstroms vorgegeben wird. Die Steuer­ größen für die Steuersätze 10 und 12 bestimmten somit den ständerorientierten Vektor VI(S) des Ständerstroms, der der Umrichterregelung als feldorientierter Sollvektor VI(F)* zugeführt wird. Die in der Teilfigur 2a gezeigte, bekannte feldorientierte Anordnung ist mit entsprechender Abwandlung selbstverständlich auch für andere Umrichter, z.B. Pulsumrichter oder Direktumrichter, anwendbar, wobei gegebenenfalls im Vektordreher 8 die Koordinatentransfor­ mation VI(F)*→VI(S)* durchgeführt und der Stromvektor VI(S)* einer Stromregelung unterzogen wird.

Die feldparallele Komponente I(F 1)* bestimmt dabei als Magnetisierungsstrom den Betrag F des Flusses und kann daher mittels eines Flußreglers 4 aus der entsprechenden Regelabweichung (F*-F) gebildet werden. Die feldsenk­ rechte Komponente I(F 2)* des Sollstromvektors wirkt als Wirkstrom linear auf die Bildung des Drehmomentes und kann mittels eines Drehzahlreglers 5 aus der Abweichung der Umlaufgeschwindigkeit L(S), die mittels eines ent­ sprechenden Läuferstellungsdetektors 6 an der Asynchron­ maschine 1 abgegriffen wird, von einem entsprechenden Sollwert L(S)* bestimmt werden.

Der durch die beiden feldorientierten kartesischen Kompo­ nenten I(F 1)* und I(F 2)* vorgegebene feldorientierte Soll­ vektor VI(F)* wird mittels eines Vektoranalysators 7 in den Sollstrom-Betrag I* und den Soll-Einheitsvektor EI(F)* aufgespalten. Ein Vektordreher 8 transformiert diesen feldorientierten Strom-Einheitsvektor mittels des die Feldachse festlegenden ständerorientierten Einheitsvektors EF(S) in seine beiden ständerorientierten Komponenten EI(S)*= {EI(S 1)*, EI(S 2)*}, aus denen ein 2/3-Phasen-Wandler 9 die entspre­ chenden Einzel-Phasensteuersignale für den Steuersatz 10 liefert. Der Sollbetrag I* dagegen wird mit dem entspre­ chenden Ist-Strombetrag I verglichen, um mittels eines Stromreglers 11 die Steuergröße für den Steuersatz 12 zu bilden.

Diese feldorientierte Umrichterregelung, die natürlich auch auf andere Weise vorgenommen werden kann, benötigt neben dem Betrag F des Flusses insbesondere die Informa­ tion über die Feldachse EF(S). Diese Größen werden in die­ sem Beispiel von einem Vektoranalysator 13 aus einem er­ rechneten ständerorientierten Vektor VF(S) für den Fluß bestimmt.

Dieser Flußvektor VF(S) ist an einer Detektorschaltung 14 abgegriffen, der Meßwerte für den Ständerstromvektor VI(S) und den Ständerspannungsvektor VU(S) zugeführt sind. Diese Vektoren können mittels entsprechender 3/2-Phasen-Wandler an den Klemmen der Maschine 1 abgegriffen werden. Die Detektorschaltung 14 selber arbeitet so, daß aus Strom und Spannung zunächst der EMK-Vektor

gebildet wird. Im Schaltzeichen für den Detektor 14 ist angedeutet, daß dieser EMK-Vektor VE(S) nach einer Addi­ tionsstelle 16 im Integrator 17 in den entsprechenden Flußvektor VF(S)=∫ VI(S) · dt umgewandelt wird. Dem nach Fig. 2 verwendeten Detektor 14 ist außerdem ein errechne­ ter Hilfsvektor V(S) für den Fluß zugeführt und die vektorielle Differenz V(S)-VF(S) ist über Nullpunkt­ regler 15 zur Additionsstelle 16 rückgeführt.

Diese Ausführung der Detektorschaltung 14 stellt sicher, daß bei hohen Frequenzen, wo ein hoher Meßpegel der in­ duzierten Ständerspannung eine hinreichend genaue Erfas­ sung des Spannungsvektors VU(S) ermöglicht, der Flußvek­ tor VF(S) im wesentlichen von diesen Meßwerten bestimmt wird, während bei niedrigen Frequenzen der Einfluß des EMK-Vektors VE(S) nur noch korrigierend auf den durch den Hilfsvektor V(S) gegebenen Flußvektor einwirkt. Der Durchgriff des Nullpunktreglers 15 kann dabei noch in Abhängigkeit von der Umlaufgeschwindigkeit L(S) der Läuferachse korrigiert oder auch ganz ausgeschaltet werden, wie durch einen entsprechenden Kurzschlußschalter am Nullpunktregler 15 angedeutet ist.

Der Hilfsvektor V(S) beschreibt einen Modellfluß und ist an einer Rechenmodellschaltung 18 abgegriffen, der neben dem aus den Strommeßwerten gewonnenen Ständerstromvektor VI(S) auch die Läuferstellung zugeführt ist, die bei­ spielsweise in Form des Einheitsvektors EL(S) verarbeitet wird. Ferner enthält die Rechenmodellschaltung 18 eine Eingangsleitung 19, an der ein Parameterwert R für den Läuferwiderstand eingegeben werden kann. Dieser Parameter­ wert dient dazu, um an einen Multiplizierer 19 a die Inte­ grationskonstante eines Integrators 20 a einzustellen. Der Integrator berechnet aus dem Quotienten der zum Modell­ fluß V(S) senkrechten Ständerstromkomponente I(F 2) und einem Modellbetrag des Modellflusses V(S) (d.h. aus der Änderung des läuferorientierten Modell-Feldwinkels (L)) einen im Modell errechneten läuferorientierten Feldwinkel (L). Daher liefert der vom Integrator 20 a an­ gesteuerte cos/sin-Funktionsgeber 20′ einen Einheitsvek­ tor E(L), aus dem der Vektordreher 21 mittels des Ein­ heitsvektors EL(S) den Modellfluß-Richtungsvektor E(S) ermittelt.

Der Modellflußbetrag F ist seinerseits durch eine Dynamik­ schaltung aus der zum Modellfluß parallelen Ständerstrom­ komponente I( 1) gebildet, wobei das Dynamikglied die Dy­ namik der Drehfeldmaschine nachbildet, die vor allem durch die Läuferzeitkonstante gegeben ist, also durch die Hauptfeldinduktivität L und dem Läuferwiderstand, der zu­ nächst jedoch nur als geschätzter Modellparameter R zur Verfügung steht. Im einzelnen besteht das Dynamikglied nach Fig. 2 aus einem Multiplizierer 19 b, einem als Inte­ grator beschalteten Operationsverstärker 20 b und einem Rückführungsglied, das einen Funktionsgeber 22 enthält, der die Hauptfeldinduktivität L in Form einer Kennlinie berücksichtigt, um damit auch Sättigungserscheinungen zu erfassen. An der Klemme 24 steht somit der Modellfluß- Betrag an.

Die auf den Modellfluß orientierten Komponenten des Strom­ vektors können dabei mittels eines Vektordrehers 23 aus dem ständerorientierten Stromvektor VI(S) und über den Vektordreher 21 rückgeführten Modell-Feldwinkel (S) bzw. E(S) berechnet werden, und ebenso kann der Modell­ fluß-Vektor V(S) durch komponentenweise Multiplikation des Einheitsvektors E(S) mit dem Modellbetrag gebildet und an einer Klemme 25 bereitgestellt werden.

Diese bisher geschilderten Teile der Anordnung ermögli­ chen es also, aus elektrischen Größen der Drehfeldmaschi­ ne und dem Parameterwert R den Flußwinkel F(S) bzw. den entsprechenden Einheitsvektor EF(S) derart zu bilden, daß die feldorientierten Komponenten des Stromvektors in dem Maße entkoppelt gesteuert oder geregelt werden können, in dem der Parameter R exakt vorgegeben wird und daher der Modellvektor V(S) den tatsächlichen Fluß beschreibt.

Wird deshalb an einer Einstelleinrichtung (Potentiometer 30) ein konstanter Wert eingestellt, der z.B. dem Läufer­ widerstand bei kalter Maschine entspricht, so ermittelt die Rechenmodellschaltung 15 in dem Maße falsche Vektoren V(S), wie sich der Läuferwiderstand infolge von z.B. temperaturbedingten Widerstandsänderungen ändert. Anderer­ seits ist die Detektorschaltung 14 bei der Ermittlung der EMK bzw. des Flusses von dem Läuferwiderstand unabhängig und es läßt sich zeigen, daß die Abweichung der jeweils in den Schaltungen 14 und 15 errechneten Flüsse bzw. der EMK-Werte weitgehend von der Ungenauigkeit des Parameters R bestimmt ist.

Deshalb ist eine Reglerstufe vorgesehen, die den Parame­ ter R so lange korrigiert, bis die beiden Flußvektoren VF(S) und V(S) bzw. die entsprechenden EMK-Vektoren VE(S) und VÊ(S) praktisch deckungsgleich sind. Als Maß für die Gleichheit der beiden Vektoren wird insbesondere die Differenz der jeweiligen Vektorbeträge verwendet und dem Regler der Reglerstufe zugeführt, dessen Ausgangs­ signal dadurch zum Verstellen des Parameterwertes RL ver­ wendet wird, daß sie an einem Summationsglied 32 zum An­ fangswert des Parameters, der am Potentiometer 30 einge­ stellt ist, addiert wird.

Das bisher beschriebene Verfahren zur Bestimmung des Läuferwiderstandes besteht also darin, daß im EMK-Detek­ tor 14 aus Strom und Spannung der Maschine der Betrag des EMK- oder Flußvektors ermittelt wird. Gleichzeitig errechnet die Rechenmodellschaltung 18 aus Strom, Läufer­ stellung und dem einstellbaren Modellparameter für den Läuferwiderstand der Maschine einen Modellbetrag für den EMK- oder Flußvektor. In der Reglerstufe wird die Diffe­ renz der Beträge gebildet und durch Veränderung des Mo­ dellparameters abgeglichen, wobei der durch den Abgleich gebildete Modellparameter den Läuferwiderstand bestimmt.

Dieses Verfahren ist an sich aus der erwähnten deutschen Offenlegungsschrift DE-A1 30 34 251 bekannt, wobei dort die Differenzbildung in der Reglerstufe ständig aktiviert ist. Das Verfahren arbeitet dann allerdings nur zufrieden­ stellend, wenn Drehzahl und Last der Maschine bestimmte Minimalwerte überschreiten. Im Stillstand bzw. bei nie­ drigen Drehzahlen sowie im Leerlauf der Maschine werden keine befriedigenden Ergebnisse erreicht. Ähnliche Ein­ schränkungen gelten bei dem Verfahren nach der DE-A1 30 34 252, bei der die Rechenmodellschaltung von Meßwerten für Spannung und Läuferwinkel ausgeht und zur Bestimmung des Läuferwiderstandes die Blindkomponente der beiden EMK-Vektoren abgeglichen wird.

Demgegenüber sieht die Erfindung nun vor, daß zur Bestim­ mung des Läuferwiderstandes die Magnetisierungsstromkompo­ nente des Ständerstroms vorübergehend verändert wird und nur die mit dieser Änderung korrelierten Differenzen der Beträge zum Abgleich verwendet werden.

Die Änderung der Magnetisierungsstromkomponente kann z.B. dadurch vorgenommen werden, daß von einem Impulsgenerator, z.B. einem durch Schließen eines Schalters 28 aktivierba­ ren Potentiometer 29, impulsartige Zusatzsollwerte Δ F* auf den Sollwerteingang des den Magnetisierungsstrom-Soll­ wert I(F 1)* liefernden Flußreglers 4 oder auf einen ande­ ren, den Magnetisierungsstrom bestimmenden Sollwert auf­ geschaltet werden. Diese pulsartige Aufschaltung des Zu­ satzsollwertes kann periodisch erfolgen, sie kann aber auch betriebsabhängig immer dann vorgenommen werden, wenn sich die Maschine in einem Betriebszustand befindet, in dem die durch den Zusatzsollwert bedingte, geringfügige Änderung des Magnetisierungsstromes sich besonders wenig störend auf den Betrieb der Maschine auswirkt.

Eine besonders ausgeprägte Änderung der Magnetisierungs­ stromkomponente liegt insbesondere vor, wenn die Maschine im Stillstand auf den Flußsollwert F* erregt wird. Diese anfängliche Erregung wird nach der DE-OS 31 12 010 auch dazu verwendet, um zum Anfahren den Startwert des Läufer­ winkels festzulegen, und kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kombiniert werden. Anschließend wird zu geeig­ neten Zeitpunkten (insbesondere bei praktisch leerlaufen­ der Maschine) über den Pulsgenerator 28, 29 die Magneti­ sierung jeweils vorübergehend gegenüber dem betriebsmä­ ßigen Sollwert F* verschoben.

Während bei den bekannten Verfahren die Fluß- bzw. EMK- Vektoren abgeglichen werden, die sich insbesondere bei stationärem Betrieb der Drehfeldmaschine ergeben, geht die Erfindung davon aus, daß sich bei einer plötzlichen Änderung des Magnetisierungsstromes der zum veränderten Magnetisierungsstrom gehörende Vektor in den Schaltungen 14 und 18 in einem unterschiedlichen dynamischen Vorgang aufbaut, wobei die Abweichung zwischen VF(S) und V(S) bzw. VE(S) und VÊ(S) von dem Parameterwert R abhängt. Dabei kann VÊ(S) jederzeit als V(S) in der Rechenmo­ dellschaltung 18 gebildet werden.

Fig. 3 zeigt, wie sich bei einem zu F* gehörenden betriebs­ mäßigen Magnetisierungsstrom-Sollwert I(F 1)*, der im Zeit­ intervall t₁ bis t₂ um den Zusatzsollwert Δ I(F 1)* erhöht wird, die beiden Flußbeträge F und mit unterschiedlicher Krümmung verändern, wobei die Krümmung von F bei einem hinreichend exakt eingestellten Wert für die Hauptfeldin­ duktivität im wesentlichen dem Läuferwiderstandsparameter RL proportional ist. Folglich stellt die Differenz (F-) ein Maß für die Genauigkeit dieses Parameters dar. Diese Differenz ist insofern mit den Zeitpunkten t₁ und t₂ korre­ liert, als sie mit wachsendem Abstand von den sprunghaften Änderungen des Magnetisierungsstromsollwertes abklingt. Daher wird für den Abgleich nur die korrelierte Differenz, d.h. die in einem kurzen Zeitintervall Δ T nach jeder Ände­ rung auftretenden Werte der Differenz, verwendet.

Fig. 3 zeigt allerdings, daß das Vorzeichen der Differenz bei unveränderter Parametereinstellung davon abängig ist, ob der Magnetisierungsstrom vergrößert oder verkleinert wird. Dies kann beim Abgleich dadurch berücksichtigt werden, daß entweder nur die mit einem einzigen der beiden Zeit­ punkte t₁ und t₂ korrelierten Werte der Differenz berück­ sichtigt werden, oder daß durch eine Umschaltung die Pola­ rität der Differenz jeweils entsprechend dem Vorzeichen der Magnetisierungsstromänderung umgeschaltet wird.

Daher ist bei der Anordnung nach Fig. 2 ein Zeitsteuer­ werk 31 vorgesehen, das einerseits den Schalter 28 steuert, mit dem in die Vorgabe der Steuergröße für die Magneti­ sierungsstromkomponente I(F 1)* eingegriffen wird, anderer­ seits dafür sorgt, daß an der Klemme 24 und einer Leitung 33 abgegriffene und mittels eines Subtraktionsglieds 32 gebildete Differenz (F-) nur für die vorgegebene Korre­ lationszeit Δ T auf den Eingang eines Reglers 33 der er­ wähnten Reglerstufe gegeben wird. Zwei Schalter 34 und 35 sind zwischen dem Subtraktionsglied 32 und dem Regler 33 angeordnet und schalten die Differenz entweder mit posi­ tivem oder mit negativem Vorzeichen (Invertierer 36) auf den Regler. Der Schalter 34 wird dabei z.B. vom Ausgangs­ signal einer Kippstufe 42 (Zeitkonstante Δ T) betätigt, die von der positiven Einschaltflanke eines in einem Im­ pulsgenerator 41 zum Zeitpunkt t₁ erzeugten Impulses an­ gestoßen wird. Während der Schließzeit des Schalters 34 ist der Schalter 35 geöffnet. Zum Zeitpunkt t₂ wird mit der Abschaltflanke des vom Impulsgenerators 41 gelieferten Impulses eine Kippstufe 43 (Zeitkonstante Δ T) angestoßen, die ihrerseits den Schalter 35 schließt, während der Schal­ ter 34 geöffnet ist.

Solange somit die Differenz (F-) über einen der Schalter auf den Regler 33 aufgeschaltet ist, liefert dieser ein Zusatzsignal, mit dem der am Potentiometer 30 eingestellte Anfangswert des Parameters R über ein Additionsglied 37 verändert wird. Der Regler 33 ist als Integrator ausgebil­ det, so daß das bei der letzten Freigabe der Differenz am Regler gebildete Ausgangssignal gespeichert und der Re­ chenmodellschaltung 18 zugeführt wird, die somit den je­ weils zwischen einzelnen Abgleichvorgängen gebildeten Pa­ rameterwert R beibehält.

Prinzipiell kann die Leitung 33′ am Betragseingang des Vek­ toranalysators 13 angreifen und die Größe F führen. Da allerdings die Detektorschaltung 14 mittels des Nullpunkt­ reglers 15 und des Hilfsvektors V(S) so betrieben wird, daß zumindest bei stationären Zuständen die beiden Vekto­ ren VF(S) und V(S) zusammenfallen, sind die beiden Beträ­ ge F und bereits aneinander gekoppelt, was beim Abgleich der Differenz F- stören kann. Daher kann durch einen Kurzschlußschalter am Nullpunktregler 15 während der jeweiligen Korrelationszeiten Δ T, d.h. während des Abgleichs der beiden Beträge, diese Nullpunktregelung außer Eingriff gebracht werden so daß die beiden Schaltungen 14 und 18 den Aufbau des Flusses entsprechend Fig. 3 unabhängig voneinander erfassen.

Da allerdings der an der Detektorschaltung 14 abgegriffene Vektor VF(S) zur Steuerung der Drehfeldmaschine verwendet wird, können derartige Umschaltungen beim Betrieb der Ma­ schine stören. Diese Störungen werden umgangen, wenn auf die Inaktivierung des Nullpunktreglers 15 verzichtet wird und der Regelschaltung nicht die Differenz der Flußbeträge sondern der EMK-Beträge aufgeschaltet wird. An die Leitung 33 wird dann der Betrag des dem Summationsglied 16 zuge­ führten EMK-Vektors VE(S) angelegt, der somit schaltungs­ technisch vor dem Eingriff des Nullpunktreglers abgegrif­ fen ist. Hierbei kann allerdings nachteilig sein, daß der EMK-Vektor bei niedrigen Frequenzen von einem starken Rauschen überlagert ist. Für einen solchen Fall z.B. kann abweichend von Fig. 2 vorgesehen sein, dem Vektoranalysa­ tor 13 nicht den in der Detektorschaltung 14 ermittelten, sondern den in der Rechenmodellschaltung 18 gebildeten Hilfsvektor V(S) zuzuführen. In diesem Fall greift also die Detektorschaltung 14 nicht direkt in die Ermittlung des Flußvektors ein, vielmehr dient sie lediglich als Hilfsschaltung zur Ermittlung des Flußbetrages F. Eine andere Möglichkeit besteht darin, den Vektoranalysator 13 in der in Fig. 2 gezeigten Weise mit der Ausgangsklemme 44 für den Vektor VF(S) der Detektorschaltung 14 zu ver­ binden, jedoch in der Detektorschaltung 14 eine Hilfs­ schaltung 14 a anzuordnen, die aus dem EMK-Vektor VE(S) allein durch Integration und ohne Verwendung eines Null­ punktreglers einen entsprechenden Flußvektor mit dem er­ rechneten Flußbetrag F′ liefert. Noch einfacher ist es bei Detektoren, die ohne diese Art der Nullpunktkorrektur auskommen.

Welche dieser beschriebenen Möglichkeiten verwendet wird, oder ob durch eine andere Ausbildung der Detektorschal­ tung 14 sichergestellt ist, daß für den Abgleich in der Regelstufe die beiden benötigten Flußbeträge F′ und F auf unabhängige Weise gebildet werden, ist für die Erfin­ dung unwesentlich. Ebenso müssen die zum Abgleich frei­ gegebenen korrelierten Differenzen nicht auf diese in Fig. 2 gezeigte Weise ausgewählt werden. Vielmehr können auch Korrelationsschaltungen, wie sie z.B. in der DE-OS 31 30 692.6 beschrieben sind, verwendet werden.

Wesentlich ist vielmehr, daß der über die Regelschaltung führende Regelkreis nur jeweils während der Zeitdauern Δ T geschlossen sind, die jeweils mit einer sprunghaften Änderung der Magnetisierungsstromvorgabe korreliert sind.

Claims (10)

1. Verfahren zum Ermitteln des Läuferwiderstandes einer Drehfeldmaschine, wobei

• a) aus Strom (VI(S)) und Spannung (VU(S)) der Maschine (1) der Betrag (F) des EMK- oder Flußvektors (VF(S)) er­ mittelt wird,
• b) gleichzeitig aus Strom (VI(S)), Läuferstellung (EL(S)) und einem einstellbaren Modell-Parameter (R) für den Läuferwiderestand der Maschine ein Modellbetrag des EMK- oder Flußvektors errechnet wird, und
• c) die Differenz (F′-) von Betrag und Modellbetrag ge­ bildet und durch Veränderung des Modellparameters ab­ geglichen wird, wobei der durch Abgleich gebildete Modellparameter den Läuferwiderstand der Maschine be­ stimmt,

dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetisierungsstromkomponenten des Ständerstroms verän­ dert und nur die mit dieser Veränderung korrelierte Diffe­ renz der Beträge zum Abgleich verwendet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Änderung (Δ F*) der Magnetisierungsstromkomponente (I(F 1)*) und der Abgleich der Differenz vor dem Anfahren der Maschine vorgenommen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Änderung der Magne­ tisierungsstromkomponente bei praktisch leerlaufender Maschine vorgenommen wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß die Änderung der Magnetisierungsstromkomponente periodisch durch Aufschalten eines impulsartigen Zusatzsollwertes (Δ F*) auf einen den Magnetisierungsstrom bestimmenden Sollwert (F*) vorgenommen wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß die Differenz bei Erhöhung und Erniedrigung der Magnetisie­ rungsstromkomponente mit unterschiedlichem Vorzeichen bewertet wird.

6. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 bei der Steuerung einer Drehfeldmaschine, wobei im normalen Betriebszustand aus elektrischen Größen (VI(S)), (VU(S)) der Drehfeldmaschine (1) und einem Para­ meterwert (R) des Läuferwiderstandes der Flußwinkel (EF(S)) gebildet wird und die flußparallele und die fluß­ senkrechte Komponente des Stromvektors voneinander entkoppelt ge­ steuert oder geregelt werden, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zumindest beim Anlauf und/oder beim Leerlauf der Maschine der Parameterwert durch Abgleich der Differenz bei sprungartigen Änderungen des Sollwertes für die flußparallele Stromkomponente bestimmt wird und daß während des Abgleichs die Ermitt­ lung des Betrages und des Modellbetrages des EMK- oder Flußvektors unabhängig von­ einander vorgenommen wird.

7. Vorrichtung zur Bestimmung des Läuferwiderstandes einer Drehfeldmaschine (1), deren Magnetisierungsstrom­ komponente durch eine Steuergröße (I(F 1)*) veränderbar ist, mit

• a) einer Detektorschaltung (14), der Meßwerte (VU(S)), (VI(S)) für den Ständerstrom und die Ständerspannung zu­ geführt sind und an der der Betrag (F′) des EMK- oder Flußvektors der Maschine abgegriffen ist,
• b) einer Rechenmodellschaltung (18), der Meßwerte für den Ständerstrom und die Läuferstellung (EL(S)) der Maschi­ ne zugeführt sind und an der ferner ein Parameterwert (RL) für den Läuferwiderstand der Maschine einstellbar und ein errechneter Modellwert () für den Betrag des EMK- oder Flußvektors abgegriffen ist, und
• c) einer Regelstufe (32-37), der die Differenz (F′-) des Betrages und des Modellbetrages zugeführt ist und deren Ausgangssignal der Rechenmodellschaltung (15) zur Veränderung der Parametereinstellung zugeführt ist,

gekennzeichnet durch eine Zeit­ steuerung (36), die die Magnetisierungsstromkomponente durch Eingriff in die Vorgabe für die Steuergröße der Mag­ netisierungsstromkomponente (I(F 1)*) ändert und in der Reglerstufe die Differenz nur für eine vorgegebene Dauer (Δ T) nach einem derartigen Eingriff freigibt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, gekennzeich­ net durch einen Integrator (33) für die Dif­ ferenz, der das beim letzten Eingriff gebildete Ausgangs­ signal der Reglerstufe speichert und dessen Ausgangssignal (R) der Rechenmodellschaltung als Parameterwert zugeführt ist.