DE3528887A1

DE3528887A1 - Method and device for approximately determining the field angle of a rotary field machine

Info

Publication number: DE3528887A1
Application number: DE19853528887
Authority: DE
Inventors: Rolf Dipl Ing Hagmann
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1985-08-12
Filing date: 1985-08-12
Publication date: 1987-02-12

Abstract

The field angle ( phi s) required for the field-oriented operation of a rotary-field machine (Mch) tracks the angle ( mu s) of the EMF vector (-es), supplied by an EMF detector (Det), with a phase shift of 90 DEG . The EMF component (e phi l) parallel to the field is advantageously formed by a vector rotator (VDI) by means of the field angle signal (- phi s) fed back, and smoothed in the actual-value channel of a controller (PhR). The controller output, which may be biased with a nominal frequency value fs", supplies the flux frequency ( phi 's) from which an integration circuit (VOs) subsequently forms the flux angle signal. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum näherungsweisen Bestimmen des Feldwinkels einer Drehfeldmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Vorrichtung zum feldorientierten Betrieb einer Drehfeldmaschine entsprechend dem Oberbegriff des Anspruch 7.The invention relates to a method for approximation Determining the field angle of a three-phase machine according to the preamble of claim 1 and a device for field-oriented operation of an induction machine the preamble of claim 7.

Eine von einem mehrphasigen Wechselstromsystem gespeiste Drehfeldmaschine (Synchronmaschine oder Asynchronmaschine) läßt sich dynamisch optimal auf einen Flußsollwert (Ψ*) und Drehmomentsollwert (M*) steuern, indem das als Stromvektor i aufgefaßte Stromsystem der Maschine von einem Stellglied so eingeprägt wird, daß die zum Vektor ( Ψ *) des Maschinenflusses parallele Komponente ("Magnetisierungsstrom" i ϕ1) des Stromvektors durch eine entsprechende, dem Fluß proportionale Magnetisierungsstrom-Führungsgröße (i ϕ1*) und die zum Flußvektor senkrechte Komponente ("Wirkstrom" i ϕ2) durch eine Drehmoment-Führungsgröße (i ϕ2*) vorgegeben wird. Diese "feldorientierten" Komponenten des Strom-Führungsvektors müssen in entsprechende ständerorentierte Steuergrößen für das Stellglied umgerechnet werden, wozu zumindest die Richtung des Flußvektors, d. h. die Feldachse, benötigt wird.A three-phase machine fed by a multi-phase AC system (synchronous machine or asynchronous machine) can be dynamically optimally controlled to a flux setpoint ( Ψ *) and torque setpoint ( M * ) by the current system of the machine, which is understood as current vector i, being impressed by an actuator in such a way that the Vector ( Ψ *) of the machine flow parallel component ("magnetizing current" i ϕ 1) of the current vector by means of a corresponding magnetizing current command variable proportional to the flow ( i ϕ 1 *) and the component perpendicular to the flow vector ("active current" i ϕ 2) a torque command variable ( i ϕ 2 *) is specified. These "field-oriented" components of the current guide vector have to be converted into corresponding status-oriented control variables for the actuator, for which purpose at least the direction of the flow vector, ie the field axis, is required.

Faßt man das an den Ständerwicklungen anliegende Drehspannungssystem als Vektor us und die induzierte EMK als Vektor es in einem bezüglich der Ständerwicklung ruhenden Koordinatensystem auf, so gilt für den Flußvektor Ψ s in diesem Koordinatensystem die Vektorbeziehung mit den Koeffizienten r und l für den Ständerwiderstand und die Induktivität der Drehfeldmaschine.If one considers the three-phase voltage system applied to the stator windings as vector u s and the induced EMF as vector e s in a coordinate system that is stationary with respect to the stator winding, then the vector relationship applies to the flux vector Ψ s in this coordinate system with the coefficients r and l for the stator resistance and the inductance of the induction machine.

Die zur Realisierung dieser Beziehung erforderlichen Vorrichtungen enthalten demnach einen Integrator, dessen Nullpunktdrift die Anwendung eines Nullpunktreglers in einer Rückführungsschleife des Integrators erfordert (DE-PS 28 33 542, DE-PS 28 33 593, DE-OS 30 26 202). Um den durch eine derartige Rückführungsleitung hervorgerufenen Frequenzgang bei der Winkelbestimmung zu unterdrücken, ist hierbei ein größerer Aufwand erforderlich.The devices necessary to realize this relationship therefore contain an integrator whose Zero point drift the application of a zero point controller in a feedback loop of the integrator is required (DE-PS 28 33 542, DE-PS 28 33 593, DE-OS 30 26 202). Around those caused by such a return line Suppress frequency response when determining the angle, more effort is required.

Prinzipiell steht der Flußvektor senkrecht auf dem mit Grundschwingung rotierenden EMK-Vektor. Eine derartige direkte Flußwinkelbestimmung aus dem Winkel der EMK scheidet jedoch in den meisten Fällen aus, da die Grundschwingung des EMK-Vektors bei dynamischen Übergängen nicht mehr definierbar ist und außerdem der EMK-Vektor im wesentlichen von den Ständerspannungen vorgegeben ist, die mit erheblichen Oberschwingungen belastet sind.In principle, the flow vector is perpendicular to the Fundamental vibration rotating emf vector. Such one direct determination of the flow angle from the angle of the EMF however, in most cases, because of the fundamental vibration the EMF vector no longer with dynamic transitions is definable and also the EMF vector essentially is specified by the stator voltages, which with significant harmonics.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, den Feldwinkel einer Drehfeldmaschine mit möglichst wenig Aufwand noch hinreichend genau zu bestimmen.The invention is therefore based on the object, the field angle a three-phase machine with as little effort as possible still to be determined with sufficient accuracy.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1.This problem is solved by a method with the features of claim 1.

Der Grundgedanke der Erfindung besteht dabei darin, daß eine den Feldwinkel bestimmende Winkelgröße einer den EMK- Vektor der Maschine bestimmenden Meßgröße in einem Phasenregelkreis so nachgeführt wird, daß stationär zwischen Feldwinkel und EMK-Winkel eine Winkeldifferenz von ±90°, je nach Drehrichtung des Flußvektors, eingestellt wird. The basic idea of the invention is that an angle variable determining the field angle of an EMF Vector of the machine-determining variable in a phase-locked loop is tracked so that stationary between Field angle and EMF angle an angular difference of ± 90 °, depending on the direction of rotation of the flow vector.

Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie dessen Anwendung bei einer Vorrichtung zur Steuerung einer Drehfeldmaschine sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.Advantageous further developments of the method according to the invention and its use in a device for Control of a three-phase machine are in the subclaims featured.

Anhand von 4 Figuren und 3 Ausführungsbeispielen wird die Erfindung näher erläutert.Using 4 figures and 3 exemplary embodiments, the Invention explained in more detail.

Es zeigt:It shows:

Fig. 1 ein schematisches Strukturbild für eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens,
Die Fig. 2 bis 4 die Blockdiagramme vorteilhafter Ausführungsbeispiele der Vorrichtung. Fig. 1 is a schematic structural diagram of an apparatus for carrying out the method,
Figs. 2 to 4 are block diagrams of advantageous embodiments of the device.

Gemäß Fig. 1 wird eine Drehfeldmaschine Mch von einem Drehstromnetz N mittels einer Umrichtereinrichtung gespeist, die im dargestellten Fall mittels eines netzseitigen Gleichrichters Rec die Einstellung der Amplitude (Betrag i des Stromvektors is) und mittels eines maschinenseitigen Wechselrichters Inv die Phase (Winkel ε s des ständerorientierten Stromvektors is) zu steuern gestattet.Referring to FIG. 1, a rotating field machine Mch of a three-phase network N is fed by means of a converter device, which in the illustrated case by means of a network-side rectifier Rec the adjustment of the amplitude (magnitude i of the current vector i s) and the phase (by means of a machine-side inverter Inv angle ε s to control the stator-oriented current vector i s ).

Da der Betrag des Flußvektors in der Regel nur benötigt wird, wenn eine Regelung des Flusses zur Bildung des Sollwertes i ϕ1* vorgesehen ist, jedoch diese Flußregelung für die Dynamik der Regelung oder Steuerung sowie die Ausnutzung der Maschine meist nur von untergeordneter Bedeutung ist, wird auf eine Berechnung des Flußbetrages verzichtet. Dies hat zur Folge, daß für die Struktur der entsprechenden Feldwinkel-Erfassung auch der Betrag e des EMK-Vektors nicht unbedingt erforderlich ist. Daher ermittelt im Strukturbild der Fig. 1 der EMK-Detektor Det aus den elektrischen Größen der Maschine eine Meßgröße, die vor allem den Winkel µs des ständerorentierten EMK-Vektors es ermitteln muß. Der EMK-Vektor und daher auch sein Richtungswinkel µs ist infolge seiner starken Abhängigkeit von den oberwellenbehafteten Ständerspannungen eine stark gestörte Wechselgröße.Since the amount of the flow vector is generally only required if regulation of the flow to form the setpoint i ϕ 1 * is provided, but this flow regulation is usually only of subordinate importance for the dynamics of the regulation or control and the utilization of the machine, the flow amount is not calculated. As a result, the amount e of the EMF vector is not absolutely necessary for the structure of the corresponding field angle detection. Therefore, in the structure diagram of FIG. 1, the EMF detector Det determines a measured variable from the electrical quantities of the machine, which, above all, has to determine the angle μs of the stand-oriented EMF vector e s . Due to its strong dependence on the stator voltages with harmonics, the EMF vector and therefore also its directional angle µs is a strongly disturbed alternating variable.

Diese Störungen werden nun nicht durch eine direkte Glättung von Wechselgrößen eliminiert, wozu ein Wechselspannungsfilter oder ein Wechselspannungsintegrator erforderlich wäre. Vielmehr wird die Richtungsdifferenz zwischen µs und dem gesuchten, dem ständerorientierten Flußvektor Ψ s zugeordneten ständerorientierten Feldwinkel ϕ s gebildet. Der Flußwinkel ist aufgrund der integralen Beziehung nur noch schwach mit Oberwellen behaftet und besitzt die gleiche Grundfrequenz wie der EMK-Vektor. Er ist lediglich um ±90° verschoben. Folglich ist der Winkel (µs-εs±90°) eine praktisch nur noch von den Oberschwingungen des EMK-Vektors behaftete, gegen den stationären Mittelwert Null strebende Gleichgröße, aus der ein Phasenregler PhR, dessen Zeitkonstante auf eine optimierte Glättung dieser Oberschwingungen abgestimmt werden kann, eine Größe s ermittelt. Diese bestimmt, wie der Flußwinkel ϕ s zeitlich geändert werden muß, damit die Phasenregler- Eingangsgröße ausgeregelt wird, d. h. der Phasenregler liefert an seinem Ausgang die Feldfrequenz s = d(ϕ s)/dt, aus der mittels eines Integrators Int der gesuchte Feldwinkel ϕ s gebildet wird.These disturbances are now not eliminated by directly smoothing alternating variables, which would require an AC voltage filter or an AC voltage integrator. Rather, the difference in direction is formed between µs and the desired, column-oriented field angle ϕ s assigned to the column-oriented flow vector Ψ s . Due to the integral relationship, the flux angle is only weakly affected by harmonics and has the same fundamental frequency as the EMF vector. It is only shifted by ± 90 °. As a result, the angle (µs-εs ± 90 °) is practically only the harmonics of the EMF vector, striving towards the steady-state mean zero, from which a phase controller PhR , whose time constant can be adjusted to optimize smoothing of these harmonics , a size s is determined. This determines how the flow angle ϕ s has to be changed over time so that the phase controller input variable is corrected, ie the phase controller supplies the field frequency s = d ( ϕ s ) / dt at its output, from which the field angle ϕ sought is obtained by means of an integrator Int s is formed.

Der feldorientierte Betrieb der Maschine ("vektor control") wird durch eine Steuer- oder Regeleinheit VC sichergestellt, deren Grundprinzip in Fig. 1 dadurch angedeutet ist, daß die Führungsgrößen i ϕ1* und i ϕ2*, die dem gewünschten Fluß und dem gewünschten Drehmoment proportional sind, als feldorientierte kartesische Komponenten eines feldorientierten Soll-Stromvektors is* mittels eines kartesisch/ polaren Koordinatenwandlers in die zugehörige Betragskomponente i* sowie die feldorientierte Richtungskomponente εϕ* umgerechnet werden. Durch Addition des feldorientierten Richtungswinkels mit dem ständerorientierten Feldwinkel ϕ s wird dadurch der der Maschine einzuprägende ständerorientierte Winkel e s* des ständerorientierten Stromvektors gebildet.The field-oriented operation of the machine ("vector control") is ensured by a control or regulating unit VC , the basic principle of which is indicated in FIG. 1 by the fact that the command variables i ϕ 1 * and i ϕ 2 *, the desired flow and the desired torque are proportional, are converted as field-oriented Cartesian components of a field-oriented target current vector i s * by means of a Cartesian / polar coordinate converter into the associated magnitude component i * and the field-oriented directional component εϕ *. By adding the field-oriented direction angle to the stator-oriented field angle ϕ s , the stator-oriented angle e s * of the stator-oriented current vector to be impressed on the machine is formed.

Die Dynamik der Feldwinkel-Bestimmung wird durch die Zeitkonstante des Phasenreglers PhR maßgeblich bestimmt. In der Regel wird die Wirkstrom-Führungsgröße i ϕ2* von einem Frequenzregler vorgegeben, der bestimmt, welches dem Wirkstrom proportionale Drehmoment aufgebracht werden muß, um z. B. eine vorgegebene mechanische Läuferfrequenz (Drehzahl) oder elektrische Ständerfrequenz der Maschine aufrechtzuerhalten. Der Sollwert dieses Frequenzreglers FR kann mittels eines Additionsgliedes AD 1 am Ausgang des Reglers PhR dem Reglerausgangssignal aufgeschaltet werden.The dynamics of the field angle determination is largely determined by the time constant of the phase controller PhR . As a rule, the active current command variable i ϕ 2 * is specified by a frequency controller, which determines which torque proportional to the active current must be applied in order, for. B. maintain a predetermined mechanical rotor frequency (speed) or electrical stator frequency of the machine. The setpoint of this frequency controller FR can be applied to the controller output signal by means of an adder AD 1 at the output of the controller PhR .

Vor allem beim Anfahren bzw. bei niedrigen Frequenzen, bei denen nur eine kleine, aus den überlagerten Oberfrequenzen schwer auszufilternde EMK induziert wird, ist es vorteilhaft, den Phasenregler PhR über einen Schalter SE zu inaktivieren. Der Regler ist dann außer Eingriff und Feldfrequenz s und Feldwinkel ϕ s werden allein von dem Frequenzsollwert und dessen Integral bestimmt, sofern keine weitere Vorsteuerung (z. B. Additionsstelle AD 2 in Fig. 3) vorliegt. Wird durch Betätigen des Schalters SE der Regler zugeschaltet, so braucht er in der Folge nur noch die Abweichung zwischen dem durch das Integral der Sollfrequenz gegebenen Winkel und dem EMK-Winkel µs auszuregeln, wodurch er nach dem Prinzip der Vorsteuerung wesentlich entlastet und auf eine schnellere Regelung optimiert werden kann.Especially when starting up or at low frequencies, at which only a small EMF is induced, which is difficult to filter out from the superimposed upper frequencies, it is advantageous to inactivate the phase controller PhR via a switch SE . The controller is then out of engagement and field frequency s and field angle ϕ s are determined solely by the frequency setpoint and its integral, provided that no further pilot control (eg addition point AD 2 in FIG. 3) is present. If the controller is switched on by actuating the switch SE , it then only needs to compensate for the deviation between the angle given by the integral of the set frequency and the emf angle µs , whereby it relieves the principle of pilot control and relieves it to a faster rate Regulation can be optimized.

Je nach Drehrichtung des Feldes beträgt die Differenz μ s-ϕ s jeweils ±90°, so daß die Aufschaltung des vorgegebenen Winkels von 90° bei einem Wechsel in der Drehrichtung des Flusses umgekehrt werden muß. Der Polaritätsschalter PS kann mittels eines Nullpunktdetektors SD entsprechend sign (s) umgeschaltet werden.Depending on the direction of rotation of the field, the difference μ s - ϕ s is in each case ± 90 °, so that the switching of the predetermined angle of 90 ° must be reversed when there is a change in the direction of rotation of the river. The polarity switch PS can be switched by means of a zero point detector SD in accordance with sign ( s ).

Nach diesem Prinzip dient also der Flußwinkel ϕ s als Transformationswinkel dazu, den EMK-Winkel µs (entsprechend einer Transformation des EMK-Vektor in ein feldorientiertes Koordinatensystem) in den Differenzwinkel µs-ϕ s zu überführen, wobei dann die durch diesen Differenzwinkel gegebene Richtungsdifferenz zwischen dem EMK- Vektor und dem Transformationswinkel auf ±90°, entsprechend dem Rotationssinn der Flußdifferenz, ausgeregelt wird.According to this principle, the flow angle ϕ s serves as the transformation angle to convert the EMF angle µs (corresponding to a transformation of the EMF vector into a field-oriented coordinate system) into the difference angle µs - ϕ s , with the difference in direction given by this difference angle between the EMF vector and the transformation angle to ± 90 °, corresponding to the sense of rotation of the flow difference.

Vorteilhaft wird die erwähnte Koordinatentransformation mittels eines Vektordrehers VD 1 entsprechend Fig. 2 durchgeführt, wobei dann der EMK-Detektor Det entsprechend dem Integranden der eingangs angegebenen Beziehung (1) die ständerorientierten kartesischen Komponenten des EMK-Vektors bildet. Die Signale zur Übertragung derartiger kartesischer Komponenten eines Vektors sind in den Figuren durch Doppelpfeile dargestellt. Entsprechend ist der Transformationswinkel ϕ s dem Vektordreher VD 1 als kartesisches Komponentenpaar eines Einheitsvektors vorzugeben und wird von einem Vektoroszillator VOs als ϕ s = (cos ∫ s.dt; sin∫ s.dt-) bereitgestellt. Mittels derartiger vektorieller Winkelsignale lassen sich Koordinatentransformationen besonders einfach durchführen, wie sie z. B. bei der in Fig. 2 gezeigten Realisierung der feldorientierten Regeleinrichtung VC benötigt werden.The coordinate transformation mentioned is advantageously carried out by means of a vector rotator VD 1 in accordance with FIG. 2, in which case the EMF detector Det then forms the stand-oriented Cartesian components of the EMF vector in accordance with the integrand of the relationship (1) specified at the beginning. The signals for the transmission of such Cartesian components of a vector are represented in the figures by double arrows. Correspondingly, the transformation angle ϕ s is given to the vector rotator VD 1 as a Cartesian component pair of a unit vector and is provided by a vector oscillator VOs as ϕ s = (cos ∫ s.dt ; sin ∫ s.dt -). By means of such vectorial angle signals, coordinate transformations can be carried out in a particularly simple manner, such as, for. B. in the implementation of the field-oriented control device VC shown in FIG. 2 are required.

Dabei transformiert der Vektordreher VD 2 den ständerorientierten Vektor is des Ist-Stromes in den entsprechenden feldorientierten Vektor i ϕ, dessen beide Komponenten dann an den Stromreglern SR 1, SR 2 durch Vergleich mit den feldorientierten Führungsgrößen i ϕ1*, i ϕ2* in die entsprechenden feldorientierten Komponenten u ϕ1*, u ϕ2* eines Soll-Spannungsvektors überführt werden. Der Vektordreher VD 3 bildet daraus den ständerorientierten Sollvektor us*, der mittels eines kartesisch/polaren Wandlers z. B. die Steuergrößen für die Amplitude U* und die Frequenz fs* einer Sollspannung liefert. Diese sind z. B. einem entsprechenden Steuersatz ST eines Pulswechselrichters PWR zugeführt, der eine dem Netz N mittels einer ungesteuerten Gleichrichterbrücke RB entnommene Gleichspannung derart umwandelt, daß am Ausgang des Pulswechselrichters PWR gerade die Spannung ansteht, die in der Maschine den gewünschten, durch i ϕ1* und i ϕ2* vorgegebenen Strom einprägt.The vector rotator VD 2 transforms the stand-oriented vector i s of the actual current into the corresponding field-oriented vector i ϕ , the two components of which are then connected to the current controllers SR 1 , SR 2 by comparison with the field-oriented reference variables i ϕ 1 *, i ϕ 2 * are converted into the corresponding field-oriented components u ϕ 1 *, u ϕ 2 * of a target voltage vector. The vector rotator VD 3 forms the stand-oriented target vector u s * , which is generated by means of a Cartesian / polar converter z. B. provides the control variables for the amplitude U * and the frequency fs * of a target voltage. These are e.g. B. a corresponding control rate ST of a pulse inverter PWR supplied, which converts a voltage taken from the network N by means of an uncontrolled rectifier bridge RB in such a way that the voltage is present at the output of the pulse inverter PWR , which is the desired in the machine by i ϕ 1 * and i ϕ 2 * impresses the specified current.

Im Einzelfall kann selbstverständlich als Stellglied zur Erzeugung eines derartigen, in Frequenz und Amplitude veränderlichen Ständerstroms auch ein anderes Stellglied verwendet werden, wobei auch die das Stellglied steuernde Regeleinrichtung VC, dem die Führungsgrößen i ϕ1* und i ϕ2* für die feldorientierten Komponenten des Ständerstroms sowie das Winkelsignal ϕ s für den Feldwinkel ϕ s vorgegeben sind, dem jeweiligen Anwendungsfall angepaßt wird.In individual cases, of course, another actuator can also be used as the actuator for generating such a stator current which is variable in frequency and amplitude, the control device VC controlling the actuator, to which the command variables i ϕ 1 * and i ϕ 2 * for the field-oriented components of the Stator current and the angle signal ϕ s are specified for the field angle ϕ s , is adapted to the respective application.

Der Vektordreher VD 1 dient nach Fig. 2 als Richtungsdifferenzbildner für das vektorielle Feldwinkelsignal ϕ s und das vom EMK-Detektor Det gebildete, in diesem Fall den EMK-Vektor bezüglich seines Betrages e und seines ständerorientierten Richtungswinkels µs angebenden vektoriellen Signal es. Der nunmehr in das feldorientierte Koordinatensystem transformierte EMK-Vektor besitzt die beiden kartesischen Komponenten e ϕ1 = e · cos(µs-ϕ s), e ϕ2 = e · sin(µs-ϕ s), wovon zunächst nur die Komponente e ϕ1 benötigt wird. Diese Komponente wird vorteilhaft über ein im Istwertkanal des Phasenregler PhR zusätzlich angeordnetes Glättungsglied GG geglättet und dem Regler aufgeschaltet. Das Reglereingangssignal verschwindet, wenn µs-ϕ s = ±90° gilt, so daß sich die Aufschaltung eines eigenen, 90° entsprechenden Winkels erübrigt. Die Berücksichtigung des Vorzeichens geschieht dabei wieder durch den Polaritätsschalter PS, der entsprechend dem Rotationssinn des Flußvektors stets den richtigen Regelsinn des Regelkreises sicherstellt.According to FIG. 2, the vector rotator VD 1 serves as a directional difference generator for the vectorial field angle signal ϕ s and the vectorial signal e s formed by the EMF detector Det , which in this case indicates the EMF vector with respect to its magnitude e and its stator-oriented directional angle μs . The EMF vector, now transformed into the field-oriented coordinate system, has the two Cartesian components e ϕ 1 = e · cos ( µs - ϕ s ), e ϕ 2 = e · sin ( µs - ϕ s ), of which initially only the component e ϕ 1 is required. This component is advantageous smoothed by an additionally arranged in the actual value of the phase controller PhR smoothing element GG and switched to the controller. The controller input signal disappears when µs - ϕ s = ± 90 °, so that there is no need to apply a separate angle corresponding to 90 °. The sign is taken into account again by the polarity switch PS , which always ensures the correct control sense of the control loop in accordance with the sense of rotation of the flow vector.

Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 2 ist auch die zweite feldorientierte EMK-Komponente e 2 weiter verarbeitet. Wegen (1) gilt im stationären Fall e = Ψ.s und im ausgeregelten Zustand (cos(µs-ϕ s) → 0) wird die Komponente e d2 = e · sin(µs-ϕ s) zu Ψ. s. Das wird entsprechend dem gestrichelt dargestellten Schaltungsteil von einem Dividierer DV ausgenutzt, um den Istwert eines Flußreglers RF 1 zu bilden, der den Magnetisierungsstrom-Sollwert i ϕ1* liefert, um den Fluß der Maschine auf einen vorgegebenen Flußsollwert Ψ* zu bringen. Dadurch wird auf einfach Weise eine Feldschwächung möglich.In the exemplary embodiment in FIG. 2, the second field-oriented EMF component e 2 is also processed further. Because of (1) in the stationary case e = Ψ . s and in the adjusted state (cos ( µs - ϕ s ) → 0) the component e d 2 = e · sin ( µs - ϕ s ) becomes Ψ. s . This is used according to the circuit part shown in dashed lines by a divider DV to form the actual value of a flux controller RF 1 , which supplies the magnetizing current setpoint i ϕ 1 * in order to bring the flow of the machine to a predetermined flux setpoint Ψ *. This makes field weakening possible in a simple manner.

In Fig. 2 ist ferner angenommen, daß der Wirkstromsollwert i ϕ2* entsprechend einem Soll-Drehmoment M* vorgegeben ist. Das Drehmoment ist aber entsprechend dem Läuferwiderstand rL im wesentlichen proportional zur elektrischen Läuferfrequenz (Schlupffrequenz fr). Deshalb kann der entsprechende, durch die feldsenkrechte Komponente des Ständerstromvektors bestimmte Schlupf-Sollwert fr* über die Additionsstelle AD 2 dem Eingangssignal des Vektoroszillators VOs, d. h. dem zur Bestimmung des Flußwinkels ϕ s benutzten Integranden, aufgeschaltet werden. Am Ausgang des Phasenreglers PhR selbst liegt dann ein Näherungswert n′ für die mechanische Frequenz (Drehzahl) der Maschine an.In Fig. 2 is further believed that the active current reference value i φ 2 * corresponding to a target torque M * is predetermined. However, the torque is essentially proportional to the electrical rotor frequency (slip frequency fr ) in accordance with the rotor resistance rL . Therefore, the corresponding slip target value fr * , determined by the component of the stator current vector perpendicular to the field, can be applied via the addition point AD 2 to the input signal of the vector oscillator VOs , ie the integrand used to determine the flow angle ϕ s . At the output of the phase controller PhR itself there is an approximation n ' for the mechanical frequency (speed) of the machine.

Dies führt zu dem bevorzugten Ausführungsbeispiel nach Fig. 3. Man erkennt hierbei in dem Direktumrichter DR und der dessen Ansteuersignale liefernden Steuereinrichtung SR das Stellglied für den Ständerstrom der Drehfeldmaschine Mch, ferner die das Stellglied steuernde Regeleinrichtung VC, dem die Führungsgrößen i ϕ1* und i ϕ2* für die feldorientierten Komponenten des Ständerstroms sowie das Winkelsignal ϕ s für den Feldwinkel vorgegeben sind, sowie den EMK-Detektor Det, der nicht nur die Richtung des EMK-Vektors, sondern die kartesischen ständerorientierten Komponenten des vollständigen EMK-Vektors es liefert, und den Flußrechner FL, der aus dem EMK-Vektor das Feldwinkelsignal ϕ s liefert. Der Flußrechner enthält wieder den Vektordreher VD 1 als Richtungsdifferenzbildner, dem das Feldwinkelsignal und das Ausgangssignal des EMK- Detektors zugeführt sind, sowie den Phasenregler PhR, der in seinem Istwertkanal das Glättungsglied GG sowie den von sign s angesteuerten Polaritätsumschalter PS. Der Vektoroszillator VOs bildet aus dem Reglerausgangssignal das Flußwinkelsignal ϕ s.This leads to the preferred exemplary embodiment according to FIG. 3. The direct converter DR and the control device SR that supplies its control signals recognize the actuator for the stator current of the induction machine Mch , and also the control device VC that controls the actuator, to which the command variables i ϕ 1 * and i ϕ 2 * are specified for the field-oriented components of the stator current and the angle signal ϕ s for the field angle, as well as the EMF detector Det , which detects not only the direction of the EMF vector, but the Cartesian stator-oriented components of the complete EMF vector e s delivers, and the flow calculator FL , which delivers the field angle signal ϕ s from the EMF vector. The flow calculator again contains the vector rotator VD 1 as a directional difference generator, to which the field angle signal and the output signal of the EMF detector are fed, and the phase controller PhR , which has the smoothing element GG in its actual value channel and the polarity switch PS controlled by sign s . The vector oscillator VOs forms the flux angle signal ϕ s from the controller output signal.

Der Wirkstromsollwert i ϕ2* wird von einem Frequenzregler FR geliefert, dem in einem ersten Anwendungsfall ein Sollwert fs* für die elektrische Ständerfrequenz zugeführt ist. In diesem Fall ist es zulässig oder (z. B. für den Antrieb von Rollgängen) sogar erwünscht, daß die mechanische Drehzahl der Maschine diesem Frequenzsollwert nur mit einer sich belastungsabhängig einstellenden Schlupffrequenz folgt, was der Maschine ein "weiches" mechanisches Verhalten gibt. Dieser Frequenzsollwert fs* ist an einer Additionsstelle AD 1 dem Ausgangssignal des Phasenreglers PhR zur Vorsteuerung der Flußfrequenz s direkt aufgeschaltet, wie das dem Prinzip nach Fig. 1 entspricht. Folglich ist das vom Additionsglied AD 1 gelieferte Signal für die Flußfrequenz praktisch identisch mit dem Istwert der elektrischen Ständerfrequenz und kann zur Bildung des Regelvergleichs für den Regler FR herangezogen werden. The active current setpoint i ϕ 2 * is supplied by a frequency controller FR , to which a setpoint fs * for the electrical stator frequency is supplied in a first application. In this case it is permissible or (e.g. for the drive of roller tables) that the mechanical speed of the machine follows this frequency setpoint only with a slip frequency which is dependent on the load, which gives the machine a "soft" mechanical behavior. This frequency setpoint fs * is directly applied to the output signal of the phase controller PhR at an addition point AD 1 for precontrolling the flow frequency s , as corresponds to the principle according to FIG. 1. Consequently, the signal for the flow frequency supplied by the adder AD 1 is practically identical to the actual value of the electrical stator frequency and can be used to form the control comparison for the controller FR .

Wird ein Näherungswert rL für den Läuferwiderstand als Proportionalitätskonstante für die näherungsweise Proportionalität zwischen Drehmoment (d. h. dem entsprechenden Wirkstromsollwert i ϕ2*) und Schlupffrequenz ausgenutzt und an einer Additionsstelle AD 2 dem Ausgangssignal des Addierers AD 1 aufgeschaltet, so steht im Istwertkanal des Frequenzreglers FR nunmehr der anhand von Fig. 2 eingeführte Ersatz-Istwert n′ für die mechanische Läuferfrequenz (Drehzahl) an. In diesem Fall wird als Sollwert des Frequenzreglers FR ein Drehzahlsollwert n* eingegeben und die Frequenzregelung wird zu einer Regelung der mechanischen Läuferfrequenz, ohne daß ein mechanischer Drehzahlgeber erforderlich wäre.If an approximate value rL for the rotor resistance is used as a proportionality constant for the approximate proportionality between torque (ie the corresponding active current setpoint i ϕ 2 *) and slip frequency and the output signal of the adder AD 1 is applied to an addition point AD 2 , the actual value channel of the frequency controller FR now appears the introduced on the basis of Fig. 2 replacement actual value n ' for the mechanical rotor frequency (speed). In this case, a speed setpoint n * is entered as the setpoint of the frequency controller FR and the frequency control becomes a control of the mechanical rotor frequency without a mechanical speed sensor being required.

Für die Verwendung des Direktumrichters DR im Stromstellglied ist die Regeleinrichtung VC um einen Vektordreher VD 4 ergänzt, der den feldorientierten Soll-Stromvektor i ϕ* in den ständerorientierten Stromsollvektor is*transformiert, so daß sowohl ein ständerorientierter Sollstromvektor is* wie Soll-Spannungsvektor us* zur Verfügung steht. Die Steuereinrichtung SR des Direktumrichters DR enthält 2/3-Wandler, die aus den Sollvektoren entsprechende Sollwerte für die einzelnen Drehstromausgänge des Direktumrichters liefern, von denen nur die Verarbeitung für einen Ausgang im Blockschaltbild dargestellt ist. Dabei liefert ein unterlagerter Stromregler SR 3 eine Steuergröße für die Ständerspannung, die mit dem entsprechenden Spannungssollwert vorgesteuert ist. Die Kommandostufe K des Steuersatzes ST ist dabei zusätzlich vom Stromsollwert angesteuert. Da aber für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens der Typ der Stromstelleinrichtung und der daran angepaßten Regeleinrichtung VC nicht von Bedeutung sind, sind die entsprechenden Bauteile VC, SR und DR in Fig. 4 nur schematisch angedeutet. For the use of the direct converter DR in the current actuator, the control device VC is supplemented by a vector rotator VD 4 , which transforms the field-oriented target current vector i ϕ * into the stator-oriented current target vector i s * , so that both a stator-oriented target current vector i s * and the target voltage vector u s * is available. The control device SR of the direct converter DR contains 2/3 converters, which supply the desired vectors for the individual three-phase outputs of the direct converter, of which only the processing for one output is shown in the block diagram. A subordinate current regulator SR 3 supplies a control variable for the stator voltage, which is precontrolled with the corresponding voltage setpoint. The command stage K of the tax rate ST is additionally controlled by the current setpoint. However, since the type of current control device and the control device VC adapted to it are not important for carrying out the method according to the invention, the corresponding components VC, SR and DR are only indicated schematically in FIG. 4.

Der Flußrechner FL gemäß Fig. 4 weist den in Fig. 3 dargestellten Aufbau mit den beiden Additionsstellen AD 1 und AD 2 auf. Der Istwert des Frequenzreglers FR wird in diesem Fall von einer Tachomaschine Tch als tatsächlicher Drehzahlistwert gemessen. Der Integrand am Steuereingang des Vektoroszillators VOs entspricht der tatsächlichen Flußfrequenz. Wenn der über ein Proportionalglied (Multiplizierer MT) zugeführte Frequenzwert den Wert der tatsächlichen Schlupffrequenz annimmt, ist daher auch die am Ausgang des Addierers AD 1 anstehende Ersatz-Drehzahl n′ gleich dem gemessenen Drehzahlistwert n. Daher kann vorteilhaft aus der Regelabweichung n-n′ von einem Nachführregler NR der Proportionalitätsfaktor des Proportionalitätsgliedes MT so nachgeführt werden, daß die Drehzahlabweichung ausgeregelt wird. Dadurch ist es möglich, den tatsächlichen Läuferwiederstand rL zu identifizieren.The flow computer FL according to FIG. 4 has the structure shown in FIG. 3 with the two addition points AD 1 and AD 2 . In this case, the actual value of the frequency controller FR is measured by a tachometer machine Tch as the actual actual speed value. The integrand at the control input of the vector oscillator VOs corresponds to the actual flow frequency. If the frequency value supplied via a proportional element (multiplier MT ) assumes the value of the actual slip frequency, the replacement speed n ' present at the output of the adder AD 1 is therefore also equal to the measured speed actual value n . Therefore, from the control deviation nn ' from a tracking controller NR, the proportionality factor of the proportionality element MT can be adjusted so that the speed deviation is corrected. This makes it possible to identify the actual rotor resistance rL .

Mittels dieses identifizierten tatsächlichen Läuferwiderstandes wird dann auch bei raschen Änderungen des Sollwertes i ϕ2* bzw. des entsprechenden Istwertes die Flußfrequenz nahezu verzögerungsfrei nachgeführt, wodurch sich eine gute Dynamik ergibt. Wird im Bereich kleiner Frequenzen der Phasenregler PhR über den Schalter SE abgeschaltet, so bleibt die Feldorientierung der Regelung und deren Vorteile (wirtschaftlichster Betrieb) praktisch erhalten.By means of this identified actual rotor resistance, the flow frequency is then tracked almost instantaneously even with rapid changes in the setpoint i ϕ 2 * or the corresponding actual value, which results in good dynamics. If the phase controller PhR is switched off in the range of low frequencies via the switch SE , the field orientation of the control and its advantages (most economical operation) are practically retained.

Allen diesen Ausführungsformen ist gemeinsam, daß auf eine exakte Berechnung des Flusses gemäß der integralen Beziehung (1) zwischen Flußvektor und EMK verzichtet wird, wozu zunächst zwei "offene" Integratoren benötigt würden, d. h. Integratoren, die nicht durch eine Rückführungsschleife stabilisiert sind. Vielmehr erfordert das Verfahren nur einen (vorteilhaft als Vektoroszillator ausgebildeten) Integrator, der aber als Teil eines Regelkreises stabilisiert ist. Dieser Regelkreis regelt eine Gleichgröße auf Null und erzeugt stationär keine Phasenverschiebung. Seine dynamische Genauigkeit ist für viele Fälle zumindest zur näherungsweisen Berechnung des Flußwinkels für die Steuerung einer Drehfeldmaschine ausreichend.All of these embodiments have in common that one exact calculation of the flow according to the integral relationship (1) there is no flow vector and EMF, which would initially require two "open" integrators, d. H. Integrators that do not go through a feedback loop are stabilized. Rather, the process only requires one (advantageously designed as a vector oscillator) Integrator, which stabilizes as part of a control loop is. This control loop regulates an equal variable to zero and generates no phase shift stationary. His dynamic accuracy is at least for many cases approximate calculation of the flow angle for the control one induction machine is sufficient.

Claims

1. A method for determining the flow angle ( ϕ s ) of a field-oriented induction machine ( Mch ) from a measurement variable ( e s ) determining at least the angle ( µs ) of the machine's EMF vector relating to a stator axis, characterized in that the flow angle ( ϕ s ) is simultaneously used to determine a transformation angle and is formed as an integral of a controller output variable ( s ), by means of which the directional difference between the EMF vector and the transformation angle is corrected to ± 90 °, corresponding to the sense of rotation of the flow frequency. ( Fig. 1, Fig. 3, Fig. 4)

2. The method according to claim 1, characterized in that the controller output variable is pre-controlled with a predetermined frequency for a frequency regulation or control of the machine ( fs * ). ( Fig. 3, Fig. 4)

3. The method according to claim 2, characterized in that the pilot-controlled controller output signal is used as the actual value of the frequency control ( FR ). ( Fig. 3)

4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that a slip frequency value determined from the component perpendicular to the field of the stator current vector is applied to the integrand when determining the flow angle. ( Fig. 3, Fig. 4)

5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that in the lower frequency range of the induction machine, the controller is disengaged and the flow angle is approximately formed as an integral of a predetermined frequency for the induction machine. ( Fig. 3, Fig. 4)

6. The method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the EMF vector ( e s ) and the direction vector ( ϕ s ) of the field axis in Cartesian stator-related coordinates are determined and to compensate for the directional difference, the field-parallel component ( e ϕ 1) the EMF vector ( e s ) transformed into field-oriented coordinates is corrected to zero with a polarity given by the sense of rotation of the flow frequency.

7. Device for field-oriented operation of a three-phase machine with an actuator ( SR, DR ) for generating a stator current that is variable in frequency and amplitude, a control device ( VC ) that controls the actuator, and the command variables ( i 1 *, i 2 *) for the field-oriented components of the stator current vector and an angle signal ( ϕ s ) for the field angle are specified, an EMF detector ( Det ) for determining at least the direction of the EMF vector of the induction machine ( Mch ) and a flux calculator ( FL ) for determining the field angle signal ( ϕ s ) from the EMF vector, characterized in that the flow computer ( FL ) contains a directional difference generator ( VD 1 ), to which the field angle signal and the output signal of the EMF detector are fed, the directional difference generator is a controller ( PhR ) with a smoothing ( GG ) and preferably a polarity switch ( PS ) controlled by the controller output signal ( s ) is connected downstream in the actual value channel, and that a Forms integration circuit (VOs) from the controller output signal (s) the Flußwinkelsignal (φ s). ( Fig. 3, Fig. 4)