DE3433149A1 - Verfahren und vorrichtung zur pollageerfassung bei einem synchronen langstatormotor - Google Patents
Verfahren und vorrichtung zur pollageerfassung bei einem synchronen langstatormotorInfo
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Description
Verfahren und Vorrichtung zur Pollageerfassung bei einem
synchronen Langstatormotor
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Pollageerfassung
bei einem synchronen Langstatormotor mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 sowie eine Vorrichtung
hierzu.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der
Antrieb eines Magnetschwebefahrzeuges, bei dem das Fahrzeug den Magnetpole enthaltenden Läufer eines Synchronmotors
darstellt, während eine längs des Fahrweges verlegte Schiene als Langstator ausgebildet ist und die in
Nuten verlegten und von einem Wechselrichter gespeisten Statorwicklungen enthält. Bezeichnet man den in den Läufer
eintretenden Fluß an einer bestimmten Stell£mit φα und
an einer entsprechend der periodischen Polstruktur des Läufers um eine Viertel Periode verschobenen Stelle mit
<Pq, so kann der vom Stator erzeugte Fluß als Vektor mit
den beiden orthogonalen, läuferbezogenen Komponenten ψά
und yq beschrieben werden, während den entsprechenden
Stellen am Läufer die um 90 magnetisch gegeneinander versetzten Achsen d und q zugeordnet sind. Da die Geometrie
der Statorwicklung auf die Läufer-Polteilung abgestimmt ist, kann durch eine Flußmessung im Läufer (bei hinreichender
räumlicher Entfernung von den Läufermagneten also durch eine Streuflußmessung) die relative Lage des Fahrzeugs
innerhalb einer Periode des räumlich verteilten Statorfeldes bestimmt werden.
Das Fahrzeug kann nun mittels des Magnetflusses beschleunigt
werden, zu dessen Erzeugung den Statorwicklungen ein mit einem bestimmten, durch eine dem beschleunigenden
KbI 2 Reh / 30.8.1984
3433U9
-^- VPA δ*» Ρ 3 3 6 2 DE
Fluß entsprechende Stromverteilung gegebener Strom eingeprägt wird. Der einzuprägende Strom kann ebenfalls durch
zwei Stromkomponenten i, und i beschrieben werden, die als orthogonale Komponenten eines Stromvektors in einem
auf die Lage des Läufers bezogenen Koordinatensystem mit den um 90 elektrisch versetzten Achsen d und q beschrieben
werden. Zur Vorgabe der dem gewünschten Beschleunigungsmoment entsprechenden Stromverteilung können daher
z.B. mittels einer Geschwindigkeitsregelung die Sollwerte für diese auf die Läuferlage bezogenen Stromkomponenten
vorgegeben werden. Für die Steuerung der den Stator speisenden Wechselrichter ist es dann nur noch erforderlich,
diese läuferbezogenen Stromsollwerte mittels eines die
Stellung des Läufers angebenden Pollagesignals in statorbezogene Sollwerte umzurechnen.
Zur Bildung dieses Pollagesignals ist in der deutschen Offenlegungsschrift 31 48 007, Figur 1, ein im Fahrzeug
angeordneter Nutenzähler vorgesehen, der jeweils beim Passieren einer Statornut einen Zählimpuls abgibt. Es
entsteht eine Impulskette mit einer geschwindigkeitsproportionalen Frequenz, aus der durch Aufsummieren das der
zurückgelegten Strecke (und somit der Pollage) entsprechende Pollagesignal entsteht. Da jedoch im Stator an
Weichen oder anderen konstruktionsbedingten Stellen einige Nuten fehlen können, entsprechen die aufaddierten Zählimpulse nicht genau der Pollage. Daher ist vorgesehen,
mittels einer Statorstreufluß-Meßeinrichtung den die
läuferbezogene Statorstrombelegung bestimmenden Winkel zu messen und das entsprechende Winkelsignal durch ein
Statorstromsignal zu dividieren, das an den Wechselrichterausgängen aus den Istwerten des Statorstromes gebildet
wird und den statorbezogenen Statorstromwinkel angibt. Dadurch wird ein von der Amplitude des Statorstroms unabhängiges
Lagesignal gebildet, mit dem der Zähler für die
-X VPA MP 3 3 62 DE
Zählimpulse jeweils mit der Periode dieses Lagesignals rückgesetzt wird.
Fährt das Fahrzeug in einen Streckenabschnitt, in dem wegen eines Fehlers die Statorstromeinspeisung unterbleibt,
so mißt die Statorstreufluß-Meßeinrichtung nur die Restmagnetisierung
der Strecke und evtl. das Streufeld der Läuferpole, also ein irreguläres Meßsignal, während Statorstrom-Istwerte
überhaupt nicht verfügbar sind. Das zum Rücksetzen des Zählimpuls-Zählers nötige Korrektursignal
kann daher nicht gebildet werden, vielmehr setzt sich dann der Zähler periodisch selbst zurück.
Diese bekannte Vorrichtung hat aber den Nachteil, daß das von der Statorstreufluß-Meßeinrichtung gebildete Winkelsignal
für die läuferbezogene Statorstrombelegung in vielen Betriebszuständen nur ungenau erfaßbar ist, jedoch
über den Zählerrücksetzbefehl sehr stark auf die Ermittlung
des Pollagesignals durchgreift.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine andere Pollageerfassung
zu schaffen, bei der der Durchgriff eines Korrektursignals,
das korrigierend auf ein von einer Geschwindigkeitsmeßeinrichtung durch Integration geliefertes Pollagesignal
wirkt, den jeweiligen Bedürfnissen entsprechend eingestellt werden kann. Das erfindungsgemäße Verfahren kann
in analoger oder insbesondere in digitaler Technik leicht durchgeführt werden. Insbesondere benötigt es nur eine
Geschwindigkeitsmeßeinrichtung und eine Statorstreufluß-Meßeinrichtung,
die z.B. auch zur Erfassung von Schlupf und Pendelungen und zu deren Berücksichtigung bei der Motorsteuerung
verwendet werden und einfach aufgebaut sein können. Für die exakte Pollageerfassung selbst ist somit
nur ein geringer Mehraufwand erforderlich.
VPA «Ρ 3 3 62 DE
Dies wird erreicht durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Eine bevorzugte Vorrichtung nach der
Erfindung sowie vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet und werden
anhand zweier Figuren erläutert.
Dabei ist mit 1 der Langstator und mit 2 das den Läufer des Synchronmotors enthaltende Fahrzeug bezeichnet. Die
Pfeile d und q (Figur 2) kennzeichnen die um 90° magnetisch gegeneinander versetzten Läuferachsen, die durch
die Anordnung der Statorstreufluß-Meßeinrichtung festgelegt sind. Der Langstator ist als aufgeständerte Schiene
ausgebildet, so daß die in Figur 1 mit 3 bezeichnete Statorstreufluß-Meßeinrichtung
nach Fig. 2 mit dem Teil 31 unterhalb und mit dem Teil 311 oberhalb des Langstators
angeordnet sein kann. Der räumliche Abstand der beiden Achsen kann entsprechend den oben angeführten Erläuterungen
als 90°-Winkel aufgefaßt werden, so daß sich die insgesamt vom Fahrzeug zurückgelegte Strecke als Winkel
Wr = jCch- dt eines mit der Frequenz ^r umlaufenden
Vektors R darstellen läßt.
Um das Fahrzeug 2 in einem gewünschten Schwebezustand zu halten und längs des Stators 1 zu beschleunigen, müssen
die Komponenten des Flusses an den Achsen d und q bestimmte Werte annehmen, zu deren Erzeugung der von einem
Wechselrichter, z.B. einem Zwischenkreisumrichter ZUR (Fig.l) oder insbesondere einem Pulswechselrichter
PWR (Fig. 2) erzeugte Ständerstrom mit einer Verteilung eingeprägt werden muß, die der relativen Lage der Achsen
d und q zu den Läuferwicklungen entspricht ("läuferbezogene Statorstrombelegung"). Eine Geschwindigkeitsregelung
VR, der zur Berücksichtigung des Schlupfes und zur Dämpfung von Pendelungen neben dem entsprechenden Geschwindigkeitssignal
ν auch das Ausgangssignal yß_ der
Statorstreufluß-Meßeinrichtung 3 zugeführt sein kann
-/- vpA MP 3 3 62 DE
(gestrichelt dargestellte Informationskanäle Fig. 2),
bildet daher läuferbezogene Statorstrom-Sollwerte. Der
Stromrichter benötigt aber statorbezogene (d.h. raumfeste) Steuergrößen für die Stromeinprägung. Eine Regeleinrichtung
(z.B. eine Stromregelung SR) vollzieht daher nicht nur den übergang von den Sollwerten des StatorStroms zu
entsprechenden Stromrichter-Steuergrößen, sondern auch die Transformation der läuferbezogenen Sollwerte in ein
raumfestes Bezugssystem.
Für diese Transformation sind insbesondere Rechenbausteine vorteilhaft, die den Statorfluß, die Stromverteilung oder
andere winkelabhängige Informationen als Vektoren verarbeiten. So gibt der bereits erwähnte läuferbezogene Vektor
φ_ - φ. exp j© , der von der Streuflußmeßeinrichtung
3 gemessen wird, die Magnetisierung des Motors in Betrag und Richtung bzw. bei Normierung auf den Magnetisierungsbetrag
die Winkelverteilung der Magnetisierung wieder. Der Winkel 0 beschreibt somit als Phase des Statorstromes
die Winkelverteilung des induzierenden Statorstromes in einem Koordinatensystem, das sich mit dem Läufer
mitbewegt und mittels des die Läuferstellung beschreibenden
Winkels -Mr in den Winkel ©s ^+^r umgerechnet
werden kann, der dann die statorbezogene Winkelverteilung der Statorstrombelegung angibt.
Im statorbezogenen Koordinatensystem entspricht der Winkel »r der polaren Richtungskomponente eines Vektors
R = R exp (j .h»cr) und bei unveränderter polarer Betragskoordinate
φ des Vektors Φ_ bedeutet die Winkeladdition
£) + or =Gs eine polare Transformation des Vektors _φ_
von einem läuferbezogenen Koordinatensystem in ein ständerbezogenes
Koordinatensystem. Diese Koordinatentransformation (und auch die inverse Transformation entsprechend
& = ©s - !»er) kann ebenso für die kar tesi sehen Komponenten
des Vektors ψ_ durchgeführt werden, wozu söge-
nannte "Vektordreher11 zur Verfügung stehen.
Entsprechend kann die Geschwindigkeitsregelung VR (Fig.2)
die Sollwerte für die Statorstromverteilung als (polare oder kartesische) Komponenten eines läuferbezogenen Soll-Stromvektors
j.* bereitstellen, wobei der Winkel ©* als Sollwert die Winkelverteilung der StatorStrombelegung
angibt. Unter Berücksichtigung der verwendeten Regelkreise und des als Stellglied für den Statorstrom dienenden
Stromrichters werden also aus den läuferbezogenen Sollwerten statorbezogene Steuergrößen und letztlich statorbezogene
Istwerte für den Statorstrom, die durch entsprechende Vektoren is* und jls_ beschrieben werden können,
wobei jedenfalls dann, wenn die von den Regelkreisen und dem Stellglied hervorgerufenen Abweichungen vernachlässigt
werden können, is* = i* . exp (j-Wr) = is,
d.h. ©s* = 0* +Qr und Q* ungefähr gleich dem benötigten,
am Stator abzugreifenden Winkel für die Statorstrombelegung gesetzt werden kann.
Zur Verdeutlichung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist
in Fig. 1 eine Anordnung dargestellt, bei der ein Rechenbaustein 10 aus der Flußinformation, die von der am Läufer
angebrachten Statorstreufluß-Meßeinrichtung 3 als läuferbezogener Vektor ψ_ der (gegebenenfalls normierten)
Statorstrombelegung geliefert wird, den Winkel Q bildet. Wird als Stellglied für die Stromeinprägung ein
Zwischenkreisumrichter ZWR benutzt, so stellt die Steuergröße für den netzseitigen Gleichrichter dieses Zwischenkreisumrichters
den Sollwert is* für die Ausgangsamplitude und die Steuergröße für Frequenz und Phase des lastseitigen
Wechselrichters den Sollwert für den die Statorstrombelegung kennzeichnenden Winkel Q s* dar. Es stehen
somit die interessierenden Winkel zur Verfügung und die weitere Signalverarbeitung geschieht in Polardarstellung
der Vektoren.
■ff- VPA 84 ρ 3 3 6 2 OE
Soll der am Stator abgegriffene Winkel (also z.B. der statorbezogene Winkel (~>s*) mit dem am Läufer abgegriffenen
Winkel Θ verglichen werden, so ist u.U. eine Transformation der Winkelinformationen in ein gemeinsames
Koordinatensystem erforderlich, die mit dem ermittelten Signal J-«*r für die Läuferstellung erfolgen
kann. In Fig. 1 vollzieht die Additionsstelle 13 eine Transformation in das läuferbezogene System und die
Vergleichsstelle 11, der der vom Stator berührungslos übertragene Winkel 0s* aufgeschaltet ist, bildet somit
die Winkeldifferenz @* -0 der beiden Winkel.
Die Koordinatentransformation ist nur dann vollkommen
und der der Vergleichsstelle 11 nachgeordnete Verstärker 12 bildet nur dann das Ausgangssignal Null, wenn
die tatsächliche Polradlage (Läuferstellung) durch jßr
richtig erfaßt ist. Ist ein von einer Geschwindigkeits-Meßeinrichtung 4 erfaßtes Geschwindigkeitssignal η dagegen
fehlerhaft, so gibt das Ausgangssignal eines nachgeschalteten Integrators 6 auch die Lage des Läufers
nur fehlerhaft an.
In einer (nicht dargestellten) Variante kann daher die verstärkte Differenz @* - 0 als Korrektursignal dem
integrierten Geschwindigkeitssignal am Integratorausgang aufgeschaltet und das dadurch entstehende korrigierte
Lagesignal zur Koordinatentransformation an die Additions stelle 13 rückgeführt werden. Dadurch wird ein Regelkreis
geschlossen, der die Winkeldifferenz ©* - 0 mit
Proportionalverhalten ausregelt.
Bei der in Fig. 1 gezeigten Variante ist die verstärkte Winkeldifferenz der Additionsstelle 5 am Eingang des
Integrators 6 aufgeschaltet, wodurch eine Regelung mit
integralem Verhalten erreicht wird. Im ausgeregelten
3433H9 -ji- VPA8^p 3 3 62 OE
Zustand gibt dann das Integrator-Ausgangssignal Qx die
korrekte Pollage wieder.
Da diese Pollage Qr auch für die Stromeinprägung, z.B. in der Stromregelung SR nach Fig. 2, benötigt wird, kann
die Regelschleife für die Differenz Q* -Q auch über die Statorstromeinprägung geschlossen werden. Eine Transformation
der am Stator und am Läufer abgegriffenen Winkel in ein gemeinsames Koordinatensystem entfällt
dabei, wenn als Statorstromsignal der Winkel 0* direkt
aus den Sollwerten für i^ gebildet wird, die von der Ge1-schwindigkeitsregelung
VR ohnehin bereits läuferorientiert vorgegeben werden.
In Fig. 2 ist dabei eine Verarbeitung der Winkelinformationen
in kartesischen Koordinaten vorgesehen, so daß die Vergleichsstelle 11 der Fig. 1 nunmehr in Fig. 2
durch einen Vektordreher VD ersetzt ist. Anstelle der Winkeldifferenz 0* - 0 wird dabei nur die Komponente
sin (©* -© ) des vom Vektordreher gebildeten, gedrehten Vektors benötigt. Als Geschwindigkeits-Meßeinrichtung
4 dient ein Impulsgeber, der jeweils beim Passieren einer Statornut, eines Statorzahns oder einer anderen
am Stator befestigten Streckenmarke einen Zählimpuls η abgibt. Die dadurch entstehende Impulskette weist aber
immer dann Fehler auf, wenn z.B. im Bereich einer Weiche die Streckenmarken am Stator nicht gleichmäßig verteilt
sind. Die Impulskette η sowie das am Stator abgegriffene Signal _φ wird über Mittel 8 zur berührungslosen Signalübertragung
den (in diesem Fall am Stator angeordneten und den Elementen 5, 6, 11, 12 der Fig. 1 entsprechenden)
Bauelementen zugeführt. Als Verstärker dient dabei ein von dem Winkeldifferenzsignal sin (0* - ©) frequenzgesteuerter
Impulsgenerator 9, dessen Impulse unter Berücksichtigung des Vorzeichens zusammen mit den Zähl-
3433H9 MP 3 3 62 DE
impulsen η über einen Addierer 5 als (nunmehr korrigiertes) Geschwindigkeitssignal ν einem als Zähler ausgebildeten
Integrator 6 zugeführt sind.
Da die Geschwindigkeitsregelung VR und die Stromregelung SR die Soll- und Steuergrößen für die Ständerstromeinprägung
in Form kartesischer Vektorkomponenten verarbeiten, bildet ein Sinus/Cosinus-Funktionsgeber 7 schließlich
aus dem Zählerstand des Zählers 6 die entsprechenden kartesischen Komponenten des Vektors R.
Da es vorteilhaft sein kann, z.B. für eine Unterdrückung von Läuferwinkel-Pendelungen oder eines Schlupfes sowie
zur Geschwindigkeitsregelung ohnehin am Läufer eine Einrichtung zur Messung der läuferbezogenen Statorstrombelegung
und der Geschwindigkeit vorzusehen, gelangt man auf diese Weise mittels weniger zusätzlicher Bauelemente
zu einer aufwandarmen Pollageerfassung. Fährt das Fahrzeug
hierbei in einen Streckenabschnitt, bei dem durch einen Fehler der Stromeinspeisung kein Statorstrom vorhanden
ist, so kann das entsprechende Korrektursignal am Verstärker 12 bzw. am Umsetzer 9 blockiert werden.
Das Fahrzeug bestimmt dann seine Pollage nur aus dem (möglicherweise fehlerhaften) Geschwindigkeitssignal n.
Fährt das Fahrzeug anschließend wieder in eine erregte Teilstrecke ein, so entsteht wieder ein dem entstandenen
Pollage-Fehler proportionales Korrektursignal und nach Freigabe des Verstärkers 12 bzw. Umsetzers 9 beginnt die
Ausregelung dieses Fehlers, bis die entsprechende Winkelabweichung ausgeregelt ist und das Pollage-Signal flr
die tatsächliche Pollage richtig wiedergibt. Liegt z.B. bei niedrigen Geschwindigkeiten nur ein stark gestörtes
Signal für die Statorstrombelegung vor, so führt auch dies zu keinen Störungen des Betriebes, sofern der Durchgriff
des Korrektursignals auf die Winkelregelung verhältnismäßig niedrig eingestellt ist.
- Leerseite -
Claims (8)
- PatentansprücheTlJ Verfahren zur Pollageerfassung eines synchronen Langstatormotors (1, 2), wobei die Pollage (R) durch Integration (Zähler 6) eines gemessenen Geschwindigkeitssignals (n) gewonnen und mittels eines Korrektursignals (sin 0* -Q) korrigiert wird, das aus einem am Läufer (2) gemessenen Winkelsignal (_φ) für die läuferbezogene Statorstrombelegung und aus einem am Stator (1) abgegriffenen, den Statorstromwinkel (Q* bzw. Q*) festlegenden Statorstromsignal (iM gewonnen wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Korrektursignal dem gemessenen Geschwindigkeitssignal (n) oder dessen Integral additiv überlagert und durch Ausregeln der Winkeldifferenz zwischen dem am Läufer gemessenen Winkel (Q ) der Statorstrombelegung und dem Statorstromwinkel ( ©*) bestimmt wird. (Fig. 1, Fig. 2)
- 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e kennzeichnet, daß der Regelkreis zum Ausregeln der Winkeldifferenz dadurch geschlossen wird, daß der am Läufer gemessene, läuferbezogene Winkel (0) und der am Stator abgegriffene Statorstromwinkel (©*) mittels der erfaßten Pollage (SIr) in ein gemeinsames Bezugssystem zur Bildung der Winkeldifferenz transformiert werden. (Fig. 1)
- 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß der Regelkreis über dieSteuerung oder Regelung (SR) des StatorStroms geschlossen wird. (Fig. 2)
- 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß das den Statorstrom-winkel festlegende Statorstromsignal aus den auf die-j*- VPA84P3 3 62Pollage bezogenen Sollwerten (i^_) für den Statorstrom gebildet wird. (Fig. 2)
- 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d a durch gekennzeichnet, daß dasWinkelsignal am Läufer durch Messung des Streufeldes gewonnen wird.
- 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, d a durch gekennzeichnet, daß dasGeschwindigkeitssignal (n) durch Erfassung der relativ zum Läufer vorbeibewegten Statornuten gewonnen wird.
- 7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durcha) eine Statorstromregelung (SR, PWR), die den Statorstrom mit einer Winkelverteilung einprägt, die gemäß einer vorgegebenen Lage (0*) relativ zu einer durch ein Pollagesignal (R) vorgegebenen Lage des Polrades (Läufers) bestimmt ist,b) eine am Polrad befestigte Statorstreufluß-Meßeinrichtung (31, 3'1), an der ein die Winkelverteilung (φ) der Statorstrombelegung anzeigendes Winkelsignal (Θ) abgegriffen ist,c) eine am Polrad befestigte Geschwindigkeitsmeßeinrichtung, insbesondere einen Zählimpulsgeber (4), der jeweils beim Passieren einer Statornut, eines Statorzahns oder einer anderen am Stator befestigten Strekkenmarke einen Zählimpuls (n) abgibt,d) einen Integrator für die gemessene Geschwindigkeit, insbesondere einen Zähler (6) für die Zählimpulse (n),- *ί - VPA 84Ρ 3 3 62 DEan dessen Ausgang das Polradlagesignal (R) abgegriffen ist,e) Mittel (5) zum Signalaustausch, insbesondere zu einem berührungslosen Signalaustausch, zwischen Stator und Läufer,f) einen Winkeldifferenzbildner (VD) zur Bildung eines Winkeldifferenz-Signals (sin (&* -O)), das die Winkeldifferenz (Q* -Q) zwischen der vom Winkelsignal (Θ) angezeigten Winkelverteilung und der dem Stator eingeprägten Winkelverteilung (0*) angibt, undg) ein mit dem Integrator (6) verbundenes Additionsglied (5), das vom Winkeldifferenzsignal und dem Ausgangssignal des Integrators oder insbesondere der gemessenen Geschwindigkeit (n) gespeist ist. (Fig. 2)
- 8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch g e kennzeichnet, daß die Statorstreufluß-Meßeinrichtung (31, 3'1) auch zur Erfassung von Schlupf und/oder Pendelungen des Motors verwendet wird und mit der Statorstromregelung über die Mittel zum Signalaustausch verbunden ist.
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