DE3536483A1 - Schaltungsanordnung zur hochdynamischen steuerung einer mehrphasenasynchronmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Um geregelte Gleichstrommaschinen durch robustere Asynchronmaschinen ersetzen zu können, ist es bekannt (siehe Siemens-Zeitschrift 45/1971, Seiten 757-760), das Prinzip der Feldorientierung für die Regelung von Drehfeldmaschinen anzuwenden. Bei einem Aufbau des Steuersatzes mit analogen Regelkreisen (z. B. gemäß EP-PS 00 61 604) ergeben sich aufwendige Schaltungsanordnungen, die sich nur schwierig an unterschiedliche Asynchronmaschinen anpassen lassen und bei erschwerten Umweltbedingungen zu erheblichen Abweichungen neigen.

In dem Anwendungsaufsatz von R. Gabriel "Mikrorechnergeregelte Asynchronmaschine, ein Antrieb für hohe dynamische Anforderungen" in der Zeitschrift Regelungstechnik 32, Jahrgang 1984, Heft 1, Seite 18 bis 26 werden auf Seite 18 unter 3. die Vorteile von Pulswechselrichtern mit konstanter Zwischenkreisspannung aufgeführt, wobei auf Seite 19 hierzu auf einen schlechteren Wirkungsgrad des Antriebes bei höheren Drehzahlen hingewiesen wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, ausgehend von einer derartigen Steuerung, einen Antrieb zu realisieren, der bei niedrigen und sehr hohen Drehzahlen einen hohen Wirkungsgrad und einen niedrigen Oberschwingungsgehalt aufweist. Ein hoher Oberschwingungsgehalt führt zu vielen Nachteilen im Regel- und Betriebsverhalten, das zu Pendelmomenten, einer erhöhten Erwärmung, starken Geräuschen usw. führt. Durch den hohen Wirkungsgrad wird die Verwendung bei Asynchronmaschinen mittlerer und großer Leistung möglich.

Dies wird gemäß der Erfindung durch eine Schaltungsanordnung mit den Merkmalen des Anspruches 1 erreicht. Der für die Regelung eingesetzte Mikrorechner muß hierbei zwei völlig unterschiedliche Aufgaben erfüllen:

1. Die Erzeugung des zeitveränderlichen Regelsignals im stationären Betrieb (z. B. sinusförmiges oder in Richtung einer Trapezform verzerrtes sinusförmiges Signal). Dieses Signal läßt sich in der Regel einfach berechnen oder aus Tabellen ablesen. Es muß jedoch in sehr kurzen Zeitabständen ausgegeben werden. Um den Oberschwingungsgehalt klein zu halten, müssen beispielsweise mehr als 10 Werte pro Periode ausgegeben werden.

2. Die Korrektur des zeitveränderlichen Regelsignals beim Auftreten von Regelabweichungen. Die hierzu bei der feldorientierten Regelung eingesetzten Regelalgorithmen sind kompliziert und benötigen daher viel Rechenzeit.

Bei den bekannten Steuerungen wurde häufig ein Kompromiß eingegangen, den Regelalgorithmus soweit zu vereinfachen, daß er bei mittlerer Regelsignalfrequenz in vertretbarer Zeit abgearbeitet werden konnte. Bei normal schnellen Mikroprozessoren waren dies üblicherweise 1 bis 2 ms. Bei 50 Hz ergaben sich so 10 bis 20 Werte pro Periode, die bei vielen Anwendungen mit kleinen und mittleren Leistungen gerade noch ausreichten. Bei höheren Anforderungen und vor allem bei einer höherfrequenten Einspeisung in die Asynchronmaschine von z. B. 200 Hz wird der Oberwellengehalt zu groß. Bei 200 Hz bedeutet dies, daß der Rechner pro volle Periode lediglich 2 bis 5 Werte ausgibt, was in nahezu allen Fällen zur Erstellung des erforderlichen Sinussignals zu wenig ist.

Durch die erfindungsgemäße, getrennte Berechnung wird es möglich, bei gleicher Rechnergeschwindigkeit weit mehr als 10 Werte bei 200 Hz auszugeben. Hierzu kann die getrennte Berechnung in getrennten Rechnern oder gemäß einer Weiterbildung der Erfindung in einem Mikroprozessor zeitmultiplex erfolgen, wobei zwischen dem Errechnen des zeitveränderlichen Regelsignales, bedingt durch das Auftreten von Regelabweichungen, eine mehrmalige Bestimmung der Augenblickswerte für die einzelnen Ständerströme erfolgt.

Den größten datenverarbeitungstechnischen Aufwand erfordert die Ausgangs- und Eingangstransformation zur Umrechnung der feldorientierten Ströme in Ständerströme bzw. umgekehrt. Werden über den Wechselrichter unterlagerte Stromregelungen mit guten Eigenschaften verwendet, die garantieren, daß die Stromsollwerte weitgehend den Stromistwerten entsprechen, kann auf die Eingangstransformation verzichtet und hierdurch die Rechnerzeit wesentlich verkürzt werden.

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 die Blockstruktur einer feldorientierten Drehzahlregelung und

Fig. 2 die in Fig. 1 dargestellte Drehzahlregelung mit einem Mikrorechner.

In Fig. 1 wird nach Netzgleichrichtung in einem Gleichspannungszwischenkreis 1 die konstante Gleichspannung 2 in einem Pulswechselrichter 3 in drei Phasenströme umgerichtet, die ein Drehfeld für eine Asynchronmaschine 4 erzeugen. Auf der Achse 5 der Asynchronmaschine 4 ist ein hochauflösender Inkrementalwertgeber 6 vorgesehen, welcher eine der Drehzahl n-ist entsprechende Impulsfrequenz liefert. In zwei der drei Phasenzuleitungen liegen Stromsensoren 8, welche die Augenblickswerte der Ständerströme i _S1 und i _S2 als Istwerte erfassen. Aus diesen Augenblickswerten werden, entsprechend der bekannten Theorie zur feldorientierten Regelung, ausgehend von einem Drehzahl-Sollwert n-soll und dem gemessenen Drehzahl-Istwert n-ist, Augenblicks-Sollwerte i _S1-soll und i _S2-soll errechnet.

Der Ständerstrom einer Asynchronmaschine der als Strombelagswelle im Ständerblech mit der Grundfrequenz ω/p umläuft (p = Polpaarzahl) kann in zwei Komponenten i _sd und i _sq aufgeteilt werden. Die Komponente i _sd baut das magnetische Feld der Maschine auf und ist deshalb in gleicher Richtung wie das Feld ausgerichtet. Der Querstrom i _sq steht rechtwinklig auf i _sd und bildet mit diesem den Summenstrom i _S , welcher mit der Umlauffrequenz ω des Feldes umläuft.

Gemäß Fig. 1 werden nun in bekannter Weise die Ständerströme i _S1 und i _S2 über eine Eingangstransformation 10 in feldorientierte Istströme i _sq und i _sd umgerechnet, wobei mit Hilfe des Drehzahlsignals n-ist aus dem Inkrementalgeber 6 der Richtungswinkel ρ von i _sd ermittelt wird. Mit Hilfe dieses Richtungswinkels ρ werden in einem Speicher 11 abgespeicherte Tabellenwerte sinρ und cosρ abgerufen, die sowohl für die Eingangstransformation 10 wie auch zur Ausgangstransformation 12 benötigt werden.

Zur Errechnung des feldorientierten Sollwertes i _sq wird in einem Subtrahierglied 13 der Drehzahlistwert n-ist von einem vorgegebenen Drehzahlsollwert n-soll subtrahiert und ein Wert für die Drehzahlabweichung ermittelt, der über eine Drehzahlregelstufe 14 den Sollwert für den feldorientierten Strom i _sq vorgibt. Über den Drehzahlistwert n-ist wird weiterhin aus einem Feldtabellenspeicher 15 ein Wert ermittelt aus dem, nach Vergleich mit einem in der Stufe 16 ermittelten Flußistwert ψ-ist, in einem Feldregler 17 der Sollwert für den feldorientierten Strom i _sd errechnet wird. Der Feldtabellenspeicher 15 kann hierbei Werte liefern, die bewirken, daß die Asynchronmaschine 4 bis zur Nenndrehzahl mit konstantem, maximalen Drehmoment nachgeregelt wird und über dieser Nenndrehzahl die Nachregelung mit konstanter Leistung z. B. der Nennleistung erfolgt. Hierdurch wird eine optimale Anpassung der Asynchronmaschine möglich, ohne daß hierbei gefährliche Überbelastungen entstehen.

Die Ermittlung der Ständerstrom-Sollwerte i _S1-soll und i _S2-soll läßt sich ohne großen Aufwand mit einem Mikrorechner 20 gemäß Fig. 2 durchführen. Hierbei werden die Ständerstrom-Istwerte einem ersten Analog-Digitalwandler 21, die dem Drehzahl-Istwert n-ist entsprechenden Signale aus dem Inkrementalwertgeber 6 einer Inkrementalwert-Auswertstufe 22 und der vorgegebenen Drehzahlsollwert n-soll einem zweiten Analog-Digitalwandler 23 und des Mikrorechners 20 zugeführt. Dieser errechnet gemäß Fig. 1 die Ständerstrom-Sollwerte und gibt sie über einen Digital-Analogwandler 24 an eine analoge Stromregelstufe 25 welche nach entsprechender Phasenaufteilung pulsbreitenmodulierte Signale für die Transistor-Leistungsstufen 26, 27 und 28 erzeugt. Diese Leistungsstufen steuern die Ströme durch die drei Phasenzuleitungen 7 zur Asynchronmaschine 4.

Der Mikrorechner weist weiterhin neben der üblichen Zentraleinheit CPU interne Steuerstufen 30, Zeitstufen 31, Speicher mit wahlfreiem Zugriff RAM, Festwertspeicher ROM und Datenleitungen 32 auf, an die diese Elemente gemeinsam angeschlossen sind.

Der datenverarbeitungstechnische Aufwand zur Bearbeitung des kompletten Regelalgorithmus ist verhältnismäßig groß, so daß bei den üblicherweise verwendeten Mikrorechnern mehrere Millisekunden benötigt werden. Dies reicht jedoch für eine hochdynamische Steuerung von Asynchronmaschinen, die mit einer wesentlich höheren Frequenz als der Netzfrequenz gespeist werden sollen, nicht aus. Erfindunggemäß erfolgt nun bei der Ausgangstransformation eine getrennte Berechnung der Amplitude und Phase für die Sollwerte i _S1 und i _S2 über die Sollwerte i _sq und i _sd aus der Drehzahlstufe 14 und dem Feldregler 17 in Verbindung mit den Tabellenwerten aus dem Speicher 11. In einem zweiten Mikrorechner oder bei einer Schaltung gemäß Fig. 2 zeitmultiplex hierzu werden die Augenblickswerte für die Ausgangstransformation ermittelt, wobei diese Ermittlung wesentlich häufiger z. B. zehnfach erfolgt.

Die Entlastung des Mikrorechners von der viel Rechenzeit erfordernden Berechnung der Amplitude und Phase für die Sollwerte kann in unterschiedlicher Weise erfolgen. So kann z. B. der Amplitudenwert mit richtiger Phasenlage ausgegeben werden, aus dem dann bis zur Ermittlung des folgenden Ergebnisses mit Hilfe einer Tabelle in kurzen Abständen der Zeitverlauf einer Sinus- oder sinusähnlichen Funktion gebildet wird.

Von besonderem Vorteil kann es sein, ein interruptgesteuertes Echtzeit-Betriebssystem zu verwenden, wobei den beiden Instanzen unterschiedliche Interrupt- Prioritäts-Ebenen zugeordnet werden. So kann z. B. mit üblichen Mikrorechnern (z. B. vom Typ 8086-2) die Berechnung der Amplitude und Phase auf der niedrigeren Prioritäts-Ebene alle 2 ms aktiviert werden, während die Berechnung der einzelnen Augenblickswerte alle 250 µs erfolgt, wobei während deren Ausgabe die Berechnung auf der niedrigeren Prioritäts-Ebene unterbrochen wird.

Wird, wie an sich bekannt, im Umrichter eine zusätzliche unterlagerte Stromregelung mit guten Eigenschaften verwendet, die sicherstellt, daß die Istwerte der Ständerströme i _S1-ist bzw. i _S2-ist weitgehend mit den Sollwerten i _S1-soll bzw. i _S2-soll identisch sind, können anstelle der Istwerte im Mikrorechner auch die Sollwerte verwendet werden. Da in diesem Fall auch die Werte i _sq -ist bzw. i _sd -ist (in Fig. 1) mit den Werten i _sq -soll bzw. i _sd -soll übereinstimmen, kann auf die Eingangstransformation 10 völlig verzichtet werden. Gemäß Fig. 2 entfallen dann die gestrichelt dargestellten Verbindungen. Hierdurch entfällt ein erheblicher Anteil an Rechenzeit.

Claims (6)

1. Schaltungsanordnung zur hochdynamischen Steuerung einer Mehrphasenasynchronmaschine mit der Bildung elektrischer Steuersignale zur feldorientierten Regelung mittels eines Mikrorechners, der den Flußvektor in Echtzeit aus den Ständerströmen und der Läuferdrehzahl ermittelt, um die konstante Gleichspannung eines Gleichspannungszwischenkreises in die Phasenspannungen für die Asynchronmaschine umzurichten, dadurch gekennzeichnet, daß die Berechnung der Amplitude und Phase für den Ständerstrombelag getrennt von der Bestimmung der Augenblickswerte für die einzelnen Ständerströme erfolgt.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Berechnungen zeitmultiplex in einem Mikroprozessor (20) durchgeführt werden, wobei zwischen der Berechnung der Amplitude und Phase eine mehrfache Bestimmung der Augenblickswerte für die einzelnen Ständerströme erfolgt.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestimmung der Augenblickswerte für die einzelnen Ständerströme ausgehend von einer Berechnung der Amplitude und Phase nach Art einer Extrapolation des oder der vorangegangenen Berechnungsergebnisse ermittelt werden.

4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Berechnung der beiden Instanzen über ein interrupt- gesteuertes Echtzeit-Betriebssystem mit unterschiedlichen Interrupt- Prioritätsebenen erfolgt, die Berechnung der Amplitude und Phase einer niedrigeren Prioritätsebene zugeordnet ist, die zur Ausgabe der Augenblickswerte für die einzelnen Ständerströme kurzfristig unterbrochen wird.

5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, daß die Regeldynamik vom Stillstand bis zu einem Mehrfachen der Nenndrehzahl ausgelegt ist, wobei die Asynchronmaschine (4) über eine Feldtabelle (15) gesteuert bis zur Nenndrehzahl ein konstantes Drehmoment und oberhalb der Nenndrehzahl eine konstante Leistung abgibt.

6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die errechneten Daten als Stromsollwerte einer nachgeschalteten analogen Stromregelung zugeführt sind, welche die Stromsollwerte zu einem Dreiphasensystem ergänzt und Treibersignale für eine impulsdauermodulierte Umrichteransteuerung liefert und daß eine unterlagerte Stromregelung über den Wechselrichter (3) vorgesehen ist, welche zu einer weitgehenden Übereinstimmung der Stromsollwerte mit den Stromistwerten führt und zur Umrechnung der feldorientierten Ströme anstelle von Stromistwerten die Stromsollwerte herangezogen sind.