DE4122393A1 - Compensating pendulum movement for sync. motor - regulating motor current via reference system attached to rotor - Google Patents
Compensating pendulum movement for sync. motor - regulating motor current via reference system attached to rotorInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren nach der Gattung des Hauptanspruchs. Infolge systembedingt immer vorhandener Unzulänglichkeiten, z. B. hinsichtlich der Anordnung von Permanentmagneten oder hinsichtlich des Verlaufs der induzierten Spannung kommt es bei elektrischen Synchronmaschinen in aller Regel zur Ausbildung von Feldoberwellen. Diese wiederum führen, sofern sie nicht kompensiert werden, bei sinusförmiger Stromspeisung zu systematischen Pendelmomenten, welche unerwünschte Drehzahlschwankungen hervorrufen. Pendelmomente sind daher möglichst zu vermeiden.The invention is based on a method according to the genus Main claim. Due to the system, more and more available Shortcomings, e.g. B. regarding the arrangement of Permanent magnets or in terms of the course of the induced Electrical synchronous machines usually have voltage for the formation of field harmonics. These in turn lead, provided they cannot be compensated for with sinusoidal power supply systematic pendulum moments, which are undesirable Cause speed fluctuations. Pendulum moments are therefore possible to avoid.
Eine einfache Methode zur Verhinderung von Feldoberwellen besteht darin, diese abzudämpfen. Damit verbunden ist jedoch auch eine Verringerung der Ausnutzung der Maschine. Aus der Schrift von M. Schröder, Hochtouriger bürstenloser Positionierantrieb mit extrem geringer Momentenwelligkeit, Dissertation, Stuttgart 1986, ist ein Vorschlag bekannt, durch eine geeignete Stromsteuerung die Feldoberwellen zur Momentbildung auszunutzen bei gleichzeitiger Kompensation der Pendelmomente. Die Stromsteuerung erfolgt aufgrund einer Berechnung mit Hilfe der Variationsrechnungsmethode. Das Verfahren ist jedoch an zwei grundsätzliche Voraussetzungen gebunden:There is a simple method for preventing field harmonics in dampening them. However, there is also an associated one Reduction of machine utilization. From the scripture of M. Schröder, high-speed brushless positioning drive with extreme low moment ripple, dissertation, Stuttgart 1986, is a Proposal known, the appropriate current control To exploit field harmonics for the formation of moment while Compensation of the pendulum moments. The current control is based on a calculation using the variation calculation method. The However, the process is tied to two basic requirements:
- 1. Die Maschine muß magnetisch symmetrisch sein,1. The machine must be magnetically symmetrical,
- 2. der rotorfeste Längsstrom muß 0 sein, um die Nebenbedingung eines minimalen Stromwärmeverlustes zu erfüllen.2. The rotor-fixed longitudinal current must be 0 in order to meet the constraint to meet minimal electricity heat loss.
Durch beide Voraussetzungen ist die Verwendung einer Vorsteuerung, welche von der magnetischen Unsymmetrie einer Maschine Gebrauch macht, ausgeschlossen.Both preconditions require the use of a feedforward control, which use the magnetic asymmetry of a machine makes, excluded.
Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, daß es unabhängig von der magnetischen Symmetrie der Maschine arbeitet. Der Hardware- bzw. Rechneraufwand für die Realisierung der Steuerung ist äußerst gering. Die erfindungsgemäße Steuerung liefert ein von der Rotorlage unabhängiges Drehmoment, welches eine Verbesserung der Maschinenausnutzung gestattet. Anforderungen an die Gleichlaufeigenschaften, etwa für hochgenaue Werkzeugmaschinen, werden erfüllt. Das erfindungsgemäße Verfahren bietet den Vorteil, daß zusätzlich eine Vorsteuerung des Stromes vorgesehen werden kann.The process according to the invention has the advantage that it is independent works from the magnetic symmetry of the machine. The hardware or computer effort for the implementation of the control is extreme low. The control according to the invention delivers one of the rotor position independent torque, which is an improvement in Machine utilization allowed. Requirements for the Synchronous properties, for example for high-precision machine tools, are met. The method according to the invention offers the advantage that a feedforward control of the current can also be provided.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird anschließend näher beschrieben.An embodiment of the invention is in the drawing shown and will be described in more detail below.
Die Abbildung zeigt ein Strukturbild eines erfindungsgemäßen Motorsteuerungskreises.The figure shows a structural diagram of an inventive one Motor control circuit.
Kernstück des in der Ruhe gestellten Regelkreises ist der Regelungsteil mit den Blöcken 10 und 11. Die in Regelung erzeugten Steuersignale sind dem Pulswechselrichter PWM zugeführt, der entsprechend den Steuersignalen den Synchronmotor M antreibt. Über einen Lagegeber L bzw. einen Tacho T werden die Drehzahl bzw. die Rotorwinkellage erfaßt und zurückgeführt. Der abgebildete Regelkreis regelt auf die Solldrehzahl, die sich wiederum aus dem gewählten Soll-Drehmoment ergibt. Der Regelungsteil ist aus Gründen der Übersichtlichkeit in mehreren funktionalen Stufen 10 bis 15 dargestellt.The heart of the closed loop is the control section with blocks 10 and 11 . The control signals generated in the control are fed to the pulse-controlled inverter PWM, which drives the synchronous motor M in accordance with the control signals. The speed or the rotor angular position are detected and returned via a position sensor L or a tachometer T. The control loop shown controls to the target speed, which in turn results from the selected target torque. For reasons of clarity, the control section is shown in several functional stages 10 to 15 .
Für die praktische Ausführung eines erfindungsgemäßen Reglers ist die Aufteilung jedoch ohne Bedeutung.For the practical implementation of a controller according to the invention the division, however, is of no importance.
Vorgegeben wird zunächst das gewünschte Soll-Drehmoment m, welches dem Regler 10 über einen zusätzlichen Eingang 16 zugeführt wird. Der Regler 10 bestimmt daraus aufgrund der Differenz zwischen der Solldrehzahl ωSoll und der von dem Tacho T gemessenen Istdrehzahl die Amplitude des Soll-Motorstroms so, daß das gewünschte Drehmoment m erreicht wird. Die Stromberechnung erfolgt in einem zweiphasigen rotorfesten Bezugssystem. Dies bedeutet, der Stromsollwert umfaßt einen Teil-Sollwert für den "Direktstrom" sowie einen Teil-Sollwert für den "Querstrom".The desired target torque m is initially specified, which is supplied to the controller 10 via an additional input 16 . From this, the controller 10 determines the amplitude of the target motor current on the basis of the difference between the target speed ω target and the actual speed measured by the tachometer T so that the desired torque m is reached. The current is calculated in a two-phase rotor-fixed reference system. This means that the current setpoint comprises a partial setpoint for the "direct current" and a partial setpoint for the "cross current".
Der bestimmte Stromwert wird der Stufe 11 zugeführt, welche die logischen Blöcke 12 bis 14 enthält. In dieser werden durch eine geeignete Transformation aus den bezüglich eines rotorfesten Bezugssystems bestimmten Werten die Steuersignale zur Ansteuerung des Pulswechselrichters PWM im dreiphasigen, ständerfesten Bezugssystem erzeugt.The determined current value is fed to stage 11 , which contains logic blocks 12 to 14 . In this, the control signals for controlling the pulse-controlled inverter PWM are generated in a three-phase, fixed-frame reference system by means of a suitable transformation from the values determined with respect to a rotor-fixed reference system.
Zu diesem Zweck werden die Stromwerte für den Direkt- bzw. Querstrom zunächst in Block 12 mit Formfunktionen gewichtet, welche unsymmetrische Anteile der induzierten Spannung berücksichtigen. Diese Gewichtung der Stromsignale mit den Formfunktionen bildet den Kern des erfindungsgemäßen Verfahrens. Nur bei Kenntnis geeigneter Formfunktionen ist eine Regelung entsprechend dem vorgeschlagenen Verfahren überhaupt durchführbar. Eine Methode zur Bestimmung wird an späterer Stelle angegeben. Die Formfunktionen sind lageabhängig. For this purpose, the current values for the direct or cross current are first weighted in block 12 with shape functions which take into account asymmetrical components of the induced voltage. This weighting of the current signals with the shape functions forms the core of the method according to the invention. Regulation with the proposed method can only be carried out if suitable form functions are known. A method of determination will be given later. The shape functions depend on the position.
Dem Block 12 ist deshalb als zusätzliche Eingangsgröße der von dem Lagegeber gemessene Lagewinkel zugeführt. Die Bestimmung der Formfunktionen erfolgt zweckmäßig durch Zugriff auf eine Tabelle, in welcher sie abgespeichert sind.The block 12 is therefore supplied with the position angle measured by the position encoder as an additional input variable. The shape functions are expediently determined by accessing a table in which they are stored.
Nachdem in solcher Weise die Stromsollwerte im zweiphasigen rotorfesten Bezugssystem feststehen, erfolgt in Block 13 die Rücktransformation zunächst in ein zweistrangiges ständerfestes Bezugssystem. Die Rücktransformation ist wiederum lageabhängig, so daß auch im Block 13 zusätzlich das von Lagegeber abgegebene Lagewinkelsignal zugeführt wird. Schließlich wird im Block 14 durch eine geeignete Transformation aus dem zweiphasigen Strom ein für den Pulswechselrichter PWM geeignetes dreiphasiges Steuersignal erzeugt. Die zweistufige Rück-Transformation dient vor allem einer guten Verständlichkeit. Für die praktische Ausführung kann selbstverständlich auch eine direkte Rücktransformation der rotorfesten Werte auf dreiphasige ständerfeste erfolgen.After the current setpoints have been established in this way in the two-phase rotor-fixed reference system, the reverse transformation is first carried out in block 13 into a two-stranded stationary reference system. The reverse transformation is in turn dependent on the position, so that the position angle signal emitted by the position encoder is also supplied in block 13 . Finally, in block 14 , a three-phase control signal suitable for the pulse-controlled inverter PWM is generated from the two-phase current by a suitable transformation. The two-stage re-transformation primarily serves to make it easier to understand. For the practical implementation, of course, a direct inverse transformation of the rotor-fixed values to three-phase stator-fixed can also take place.
Nachfolgend wird eine Möglichkeit zur Bestimmung der Formfunktionen beschrieben.Below is a way to determine the shape functions described.
Das Bestimmungsverfahren geht aus von einer leistungsinvarianten (LIV) Transformation der Formfunktion der Polradspannung auf ein zweiphasiges rotorfestes Bezugssystem. Es gilt:The determination procedure is based on a performance invariant (LIV) transformation of the shape function of the magnet wheel voltage to a two-phase rotor-fixed reference system. The following applies:
up2(t) = M- · ω(t) · fup2(λ)u p2 (t) = M - ω (t) f up2 (λ)
up3(t) = M- · ω(t) · fup3(λ)u p3 (t) = M - ω (t) f up3 (λ)
In vielen Fällen gilt:In many cases:
damit folgt: with this follows:
wobei für die Transformationsmatrix [T₃₂] gilt:the following applies to the transformation matrix [T₃₂]:
Allgemein gilt für den Zusammenhang zwischen rotorfestem und ständerfestem Bezugssystem:In general, the relationship between rotor-proof and stator-proof applies Reference system:
Da die Transformation leistungsinvariant durchgeführt wurde, kann in im zweiphasigen, rotorfesten Bezugssystem das elektrische Drehmoment angegeben werden:Since the transformation was performed with an invariant performance, in two-phase, rotor-fixed reference system specified the electrical torque will:
mel = (Ld - Lq) · ir d · ir q + ûp (fr ud (γ) · ir d + fr uq (γ) · ir q) el m = (L d - L q) i r d · i · r + q û p (f r ud (γ) · i r d f r + uq (γ) · r i q)
Für die Stromkomponenten in der d- und q-Achse gilt:The following applies to the current components in the d and q axes:
ir d = r d · fr id(γ)i r d = r d · f r id (γ)
ir q = r q · fr iq(γ)i r q = r qf r iq (γ)
Nach Einsetzen folgt für das elektrische Drehmoment:After insertion, the following applies for the electrical torque:
mel = (Ld - Lq) · r d · fr id(γ) · r q · fr iq(γ) + (fr ud(γ) · r d · fr id(γ) + fr uq(γ) · r q · fr iq(γ)) (21)m el = (L d - L q ) · r d · f r id (γ) · r q · f r iq (γ) + (f r ud (γ) · r d · f r id (γ) + f r uq (γ) · r q · f r iq (γ)) (21)
Die Formfunktionen der Ströme in der d-Achse (fr id(γ)) und in der q-Achse (fr iq(γ)) sind so zu bestimmen, daß das elektrische Moment unabhängig vom Lagewinkel (γ) gebildet wird. Die Amplitude der rotorfesten Polradspannung ûp kann beliebig normiert werden, so daß im folgenden o.B.d.A. ûp=1 gilt.The shape functions of the currents in the d-axis (f r id (γ)) and in the q-axis (f r iq (γ)) are to be determined in such a way that the electrical moment is formed independently of the position angle (γ). The amplitude of the rotor-fixed magnet wheel voltage û p can be standardized as required, so that in the following oBdA û p = 1.
Zur Bestimmung der beiden gesuchten Stromsteuerfunktionen fr id(γ) und fr iq(γ) steht bisher nur die Momentengleichung 21 zur Verfügung. Zunächst wird die Hilfsvariable a eingeführt:To determine the two current control functions f r id (γ) and f r iq (γ) sought, only the moment equation 21 has so far been available. First, the auxiliary variable a is introduced:
r d = a · r q r d = arq q
a = f (r q)a = f ( r q )
Eingesetzt ergibt sich für das elektrische Drehmoment:Used for the electrical torque:
mel = r q [(Ld - Lq) · a · fr id(γ) · r q · fr iq(γ) + (fr ud(γ) · a · fr id(γ) + fr uq(γ) · fr iq(γ))]m el = r q [(L d - L q ) · a · f r id (γ) · r q · f r iq (γ) + (f r ud (γ) · a · f r id (γ) + f r uq (γ) · f r iq (γ))]
Zur Lösung wird der Ansatz gemacht:The solution is approached:
In der Lösung bleibt zu zeigen, daß fr iq(γ)≠0 stets erfüllt ist. Dann gilt:The solution remains to show that f r iq (γ) ≠ 0 is always fulfilled. Then:
Das Moment ist unabhängig vom Lagewinkel γ, falls gilt:The moment is independent of the position angle γ if:
bzw. bei geeigneter Normierung:or with appropriate standardization:
daraus folgt die Bestimmungsgleichung:the equation of determination follows from this:
Die Gleichung 29 stellt die allgemeine Lösung dar. Das Minuszeichen führt für a=0 auf die triviale Lösung fr iq(γ)=0. Bei der Herleitung wurde vorausgesetzt, daß fr iq(γ)≠0 sein soll. Dies ist erfüllt für:Equation 29 represents the general solution. For a = 0, the minus sign leads to the trivial solution f r iq (γ) = 0. The derivation assumed that f r iq (γ) ≠ should be 0. This is true for:
Bei der hier gewählten Normierung sind die Abschätzungen:With the standardization chosen here, the estimates are:
1.1 < fr uq(γ) < 1.41.1 <f r uq (γ) <1.4
-0.05 < fr ud(γ) < 0.05-0.05 <f r ud (γ) <0.05
statthaft. Für fr ud(γ)=0 ist die Bedingung aus Gl. 30 stets erfüllt. Für fr ud(γ)≠0 läßt sich der zulässige Wertebereich von a gut abschätzen allowed. For f r ud (γ) = 0 the condition from Eq. 30 always met. For f r ud (γ) ≠ 0, the permissible range of a can be estimated well
-2.5 < a < 2.5-2.5 <a <2.5
Der Wert für a ist prinzipiell frei wählbar, solange er nicht zur Singularität bezüglich fr iq(γ)=0 führt. Eine sinnvolle Wahl von a läßt sich z. B. durch Nebenbedingung der minimalen Stromaufnahme der Maschine finden. Da sehr oft Ld<Lq gewählt wird (werden muß), resultiert der minimale Strom in jedem Fall für r d<0. Die Vorzeichenumkehr des Moments wird durch r q bewirkt. In principle, the value for a can be freely selected as long as it does not lead to the singularity with respect to f r iq (γ) = 0. A reasonable choice of a can be found e.g. B. by constraint of the minimum power consumption of the machine. Since L d <L q is selected very often, the minimum current results in any case for r d <0. The sign reversal of the moment is effected by r q .
Für den Sonderfall a=0 giltFor the special case a = 0 applies
Verwendete FormelzeichenFormula symbols used
i Strom
IN Nennstrom
I Einheitsmatrix
J Trägheitsmoment
γ Lagewinkel
l Länge
L Induktivität
m Moment
p Polpaarzahl
T Abtastzeit, Zeitkonstante
u Spannung
Γ Eingangsmatrix für das Systemrauschen
ξ Wicklungsfaktor
Φ Übertragungsfunktion
Ψ Flußverkettung
ω Drehzahl, Kreisfrequenzi electricity
I N rated current
I unity matrix
J moment of inertia
γ attitude angle
l length
L inductance
m moment
p number of pole pairs
T sampling time, time constant
u tension
Γ Input matrix for system noise
ξ winding factor
Φ transfer function
Ψ River chaining
ω speed, angular frequency
verwendete Indices:indices used:
1, 2, 3 Bezeichnung des entspr. Ständerstrangs
d,q Längs-, Querachse
i induziert, inneres Moment
k k-te Oberschwingung(-welle)
M Magnet
N Nennwert
P Polrad(-spannung)
r rotorfestes Bezugssystem
s ständerfestes Bezugssystem
u (Formfunktion der) Spannung
- Mittelwert
ˆ Scheitelwert
∼ Nullsystem1, 2, 3 Designation of the corresponding stator string
d, q longitudinal, transverse axis
i induced inner moment
k kth harmonic (wave)
M magnet
N nominal value
P magnet wheel (voltage)
r rotor-fixed reference system
s frame-fixed reference system
u (form function of) tension
- Average
ˆ peak value
∼ zero system
Claims (7)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE4122393A DE4122393A1 (en) | 1991-07-05 | 1991-07-05 | Compensating pendulum movement for sync. motor - regulating motor current via reference system attached to rotor |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE4122393A DE4122393A1 (en) | 1991-07-05 | 1991-07-05 | Compensating pendulum movement for sync. motor - regulating motor current via reference system attached to rotor |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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DE4122393A1 true DE4122393A1 (en) | 1993-01-07 |
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ID=6435572
Family Applications (1)
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DE4122393A Withdrawn DE4122393A1 (en) | 1991-07-05 | 1991-07-05 | Compensating pendulum movement for sync. motor - regulating motor current via reference system attached to rotor |
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DE (1) | DE4122393A1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102008007100A1 (en) * | 2008-02-01 | 2009-08-06 | Robert Bosch Gmbh | Device i.e. pre-controller, for e.g. linear actuator, in field-oriented co-ordinate system, has synchronous machine, where manipulated variable over plugged by device over integral divider of electrical angle in circuit |
-
1991
- 1991-07-05 DE DE4122393A patent/DE4122393A1/en not_active Withdrawn
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102008007100A1 (en) * | 2008-02-01 | 2009-08-06 | Robert Bosch Gmbh | Device i.e. pre-controller, for e.g. linear actuator, in field-oriented co-ordinate system, has synchronous machine, where manipulated variable over plugged by device over integral divider of electrical angle in circuit |
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