DE3433149C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Pollageerfassung bei einem synchronen Langstatormotor mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 sowie eine Vorrichtung hierzu.

Ein solches Verfahren und eine solche Vorrichtung sind aus der DE-OS 31 48 007 bekannt.

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 Stelle mit Φd und an einer entsprechend der periodischen Polstruktur des Läufers um eine Viertel Periode verschobenen Stelle mit Φq, so kann der vom Stator erzeugte Fluß als Vektor mit den beiden orthogonalen, läuferbezogenen Komponenten Φd und Φq 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 Fluß entsprechende Stromverteilung gegebener Strom eingeprägt wird. Der einzuprägende Strom kann ebenfalls durch zwei Stromkomponenten i_d und i_q 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, Fig. 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 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.

Dies wird erreicht durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1.

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.

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 (Fig. 2) kennzeichnet 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 Fig. 1 mit 3 bezeichnete Statorstreufluß-Meßeinrichtung nach Fig. 2 mit dem Teil 3′ unterhalb und mit dem Teil 3′′ oberhalb des Langstators angeordnet sein kann. Der räumliche Abstand der beiden Achsen kann entsprechend den oben angeführten Erläuterungen als 90°-Winkel aufgepaßt werden, so daß sich die insgesamt vom Fahrzeug zurückgelegte Strecke als Winkel Ωr=∫ω_rdt eines mit der Frequenz ω_r umlaufenden Vektor 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. 1) 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 n auch das Ausgangssignal Φ der Statorstreufluß-Meßeinrichtung 3 zugeführt sein kann (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= · exp jR, 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 R 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 Ω_r in den Winkel Rs=R+Ω_r umgerechnet werden kann, der dann die statorbezogene Winkelverteilung der Statorstrombelegung angibt.

Im statorbezogenen Koordinatensystem entspricht der Winkel Ω_r der polaren Richtungskomponente eines Vektors R= exp (j · Ω_r) und bei unveränderter polarer Betragskoordinate des Vektors Φ bedeutet die Winkeladdition R+Ω_r=R_s eine polare Transformation des Vektors Φ von einem läuferbezogenen Koordinatensystem in ein ständerbezogenes Koordinatensystem. Diese Koordiantentransformation (und auch die inverse Transformation entsprechend R=R_s-Ω_r) kann ebenso für die kartesischen Komponenten des Vektors Φ durchgeführt werden, wozu sogenannte "Vektordreher" zur Verfügung stehen.

Entsprechend kann die Geschwindigkeitsregelung VR (Fig. 2) die Sollwerte für die Statorstromverteilung als (polare oder kartesische) Komponenten eines läuferbezogenen Soll-Stromvektors i* bereitstellen, wobei der Winkel R* als Sollwert die Winkelverteilung der Statorstrombelegung angibt. Unter Berücksichtigung der verwendeten Regelkreise und des als Stellglied für den Statorstrom dienenden Stromrichter werden also aus den läuferbezogenen Sollwerten statorbezogene Steuergrößen und letztlich statorbezogene Istwerte für den Statorstrom, die durch entsprechende Vektoren is* und is beschrieben werden können, wobei jedenfalls dann, wenn die von den Regelkreisen und dem Stellglied hervorgerufenen Abweichungen vernachlässigt werden können, is*=* · exp (j · Ω_r)=is, d. h. R_s*=R*+Ω_r und R* 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 Φ der (gegebenenfalls normierten) Statorstrombelegung geliefert wird, den Winkel R bildet. Wird als Stellglied für die Stromeinprägung ein Zwischenkreisumrichter ZUR benutzt, so stellt die Steuergröße für den netzseitigen Gleichrichter dieses Zwischenkreisumrichters den Sollwert * für die Ausgangsamplitude und die Steuergröße für Frequenz und Phase des lastseitigen Wechselrichters den Sollwert für den die Statorstrombelegung kennzeichnenden Winkel R_s* dar. Es stehen somit die interessierenden Winkel zur Verfügung und die weitere Signalverarbeitung geschieht in Polardarstellung der Vektoren.

Soll der am Stator abgegriffene Winkel (also z. B. der statorbezogene Winkel Rs*) mit dem am Läufer abgegrif­ fenen Winkel R verglichen werden, so ist u. U. eine Transformation der Winkelinformationen in ein gemein­ sames Koordinatensystem erforderlich, die mit dem er­ mittelten Signal Ω_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 Rs* aufgeschaltet ist, bildet somit die Winkeldifferenz R*-R der beiden Winkel.

Die Koordinatentransformation ist nur dann vollkommen und der der Vergleichsstelle 11 nachgeordnete Verstär­ ker 12 bildet nur dann das Ausgangssignal Null, wenn die tatsächliche Polradlage (Läuferstellung) durch Ωr richtig erfaßt ist. Ist ein von einer Geschwindigkeits- Meßeinrichtung 4 erfaßtes Geschwindigkeitssignal n da­ gegen fehlerhaft, so gibt das Ausgangssignal eines nach­ geschalteten Integrators 6 auch die Lage des Läufers nur fehlerhaft an.

In einer (nicht dargestellten) Variante kann daher die verstärkte Differenz R*-R 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 Regel­ kreis geschlossen, der die Winkeldifferenz R*-R 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 Zustand gibt dann das Integrator-Ausgangssignal Ωr die korrekte Pollage wieder.

Da diese Pollage Ωr auch für die Stromeinprägung, z. B. in der Stromregelung SR nach Fig. 2, benötigt wird, kann die Regelschleife für die Differenz R*-R auch über die Statorstromeinprägung geschlossen werden. Eine Trans­ formation der am Stator und am Läufer abgegriffenen Winkel in ein gemeinsames Koordinatensystem entfällt dabei, wenn als Statorstromsignal der Winkel R* direkt aus den Sollwerten für für i* gebildet wird, die von der Ge­ schwindigkeitsregelung VR ohnehin bereits läuferorien­ tiert vorgegeben werden.

In Fig. 2 ist dabei eine Verarbeitung der Winkelinforma­ tionen 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 R*-R wird dabei nur die Komponente sin (R*-R) des vom Vektordreher gebildeten, gedreh­ ten Vektors benötigt. Als Geschwindigkeits-Meßeinrich­ tung 4 dient ein Impulsgeber, der jeweils beim Passieren einer Statornut, eines Statorzahns oder einer anderen am Stator befestigten Streckenmarke einen Zählimpuls n 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 n sowie das am Stator abgegriffene Signal Φ wird über Mittel 8 zur berührungslosen Signal­ übertragung 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 (R*-R) frequenz­ gesteuerter Impulsgenerator 9, dessen Impulse unter Be­ rücksichtigung des Vorzeichens zusammen mit den Zähl­ impulsen n über einen Addierer 5 als (nunmehr korrigier­ tes) Geschwindigkeitssignal ω_r einem als Zähler ausgebil­ deten Integrator 6 zugeführt sind.

Da die Geschwindigkeitsregelung VR und die Stromregelung SR die Soll- und Steuergrößen für die Ständerstromein­ prägung in Form kartesischer Vektorkomponenten verarbei­ ten, bildet ein Sinus/Cosinus-Funktionsgeber 7 schließ­ lich 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 Ein­ richtung zur Messung der läuferbezogenen Statorstrombe­ legung und der Geschwindigkeit vorzusehen, gelangt man auf diese Weise mittels weniger zusätzlicher Bauelemente zu einer aufwandarmen Pollageerfassung. Fährt das Fahr­ zeug hierbei in einen Streckenabschnitt, bei dem durch einen Fehler der Stromeinspeisung kein Statorstrom vor­ handen ist, so kann das entsprechende Korrektursignal am Verstärker 12 bzw. am Impulsgenerator 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. Impulsgenerators 9 beginnt die Ausregelung dieses Fehlers, bis die entsprechende Winkel­ abweichung ausgeregelt ist und das Pollage-Signal Ωr 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 Durch­ griff des Korrektursignals auf die Winkelregelung ver­ hältnismäßig niedrig eingestellt ist.

Claims (8)

1. Verfahren zur Pollageerfassung eines synchronen Lang­ statormotors (1, 2) wobei die Pollage (R) durch Inte­ gration (Zähler 6) eines gemessenen Geschwindigkeits­ signals (n) gewonnen und mittels eines Korrektursignals (ein (R*-R) korrigiert wird, das aus einem am Läufer (2) gemessenen Winkelsignal (Φ) für die läuferbezogene Statorstrombelegung und aus einem am Stator (1) abge­ griffenen, den Statorstromwinkel (R* bzw. ) festle­ genden Statorstromsignal (i*) gewonnen wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Korrektursignal dem gemessenen Geschwindigkeitssignal (n) oder dessen Integral additiv überlagert und durch Ausregeln der Winkeldiferenz zwischen dem am Läufer ge­ messenen Winkel (R) der Statorstrombelegung und dem Statorstromwinkel (R*) bestimmt wird. (Fig. 1, Fig. 2)

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzechnet, daß der Regelkreis zum Aus­ regeln der Winkeldifferenz dadurch geschlossen wird, daß der am Läufer gemessene, läuferbezogene Winkel (R) und der am Stator abgegriffene Statorstromwinkel () mittels der erfaßten Pollage (Ωr) in ein gemeinsames Bezugs­ system zur Bildung der Winkeldifferenz transformiert werden. (Fig. 1)

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Regelkreis über die Steuerung oder Regelung (SR) des Statorstroms geschlossen wird. (Fig. 2)

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das den Statorstrom­ winkel festlegende Statorstromsignal aus den auf die Pollage bezogenen Sollwerten (i*) für den Statorstrom gebildet wird. (Fig. 2)

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß das Winkelsignal am Läufer durch Messung des Streufeldes gewonnen wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß das Geschwindigkeitssignal (n) durch Erfassung der relativ zum Läufer vorbeibewegtren Statornuten gewonnen wird.

7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch

• a) eine Statorstromregelung (SR, PWR), die den Stator­ strom mit einer Winkelverteilung einprägt, die gemäß einer vorgegebenen Lage (R*) relativ zu einer durch ein Pollagesignal (R) vorgegebenen Lage des Polrades (Läufers) bestimmt ist,
• b) eine am Polrad befestigte Statorstreufluß-Meßeinrich­ tung (3′, 3′′), an der ein die Winkelverteilung (Φ) der Statorstrombelegung anzeigendes Winkelsignal (R) abgegriffen ist,
• c) eine am Polrad befestigte Geschwindigkeitsmeßeinrich­ tung, insbesondere einen Zählimpulsgeber (4), die je­ weils beim Passieren einer Statornut, eines Stator­ zahns oder einer anderen am Stator befestigten Strec­ kenmarke einen Zählimpuls (n) abgibt,
• d) einen Integrator für die gemessene Geschwindigkeit, insbesonders einen Zähler (6) für die Zählimpulse (n), an dessen Ausgang das Polradlagesignal (R) abgegrif­ fen 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 (R*-R)), das die Win­ keldifferenz (R*-R) zwischen der vom Winkelsignal (R) angezeigte Winkelverteilung und der dem Stator eingeprägten Winkelverteilung (R*) angibt, und
• g) ein mit dem Integrator (6) verbundenes Additionsglied (5), das vom Winkeldifferenzsignal und dem Ausgangs­ signal des Integrators oder insbesondere der gemesse­ nen Geschwindigkeit (n) gespeist ist. (Fig. 2)

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Statorstreufluß-Meß­ einrichtung (3′, 3′′) auch zur Erfassung von Schlupf und/oder Pendelungen des Motors verwendet wird und mit der Statorstromregelung über die Mittel zum Signalaus­ tausch verbunden ist.