DE4418997A1

DE4418997A1 - Regelsystem zur Regelung der Komponenten des Ständerstroms eines Drehstromantriebsmotors

Info

Publication number: DE4418997A1
Application number: DE4418997A
Authority: DE
Inventors: Phung Quang Dr Ing Nguyen
Original assignee: Refu Elektronik GmbH
Current assignee: AEI Power GmbH
Priority date: 1994-05-31
Filing date: 1994-05-31
Publication date: 1995-12-07
Anticipated expiration: 2014-06-01
Also published as: DE4418997C2

Description

Die Erfindung betrifft ein Regelsystem zur Regelung der Komponenten des Ständerstroms eines Drehstromantriebsmotors gemäß der Gattung des Anspruchs 1.

In einem vollständig digital und feldorientiert geregelten Drehstromantriebssystem mit Spannungs-Pulswechselrichter wird häufig eine Stromregelung im feldorientierten Koordinatensystem verwendet, die mit PI-Verhalten getrennt für feld- und momentbildende Stromkomponenten i_sd und i_sq ausgeführt ist und zusammen mit einem anschließenden Entkopplungsnetzwerk (ab hier durch EK abgekürzt) die Aufgabe hat, diese Stromkomponenten zu entkoppeln und dem Drehfeldmotor, der entweder eine Kurzschlußläufer-Asynchronmaschine (ab hier durch ASM abgekürzt) oder eine permanentmagnet-erregte Synchronvollpolmaschine (ab hier durch SM abgekürzt) sein kann, einzuprägen. Diese klassische Methode der Stromregelung hat die Nachteile in der dynamisch nicht zufriedenstellenden Entkopplung der Stromkomponenten, in der prinzipiell nicht zufriedenstellenden Regeldynamik und in der fehlenden Möglichkeit zur Berücksichtigung der Systemrandbedingungen wie die durch die Zwischenkreisspannung U_zk automatisch eingeschränkte Stell- bzw. Ständerspannung u _s, wie die um ca. einen Regeltakt verzögerte Ausgabe der berechneten Ständerspannung u _s sowie die im System eingesetzte Meßtechnik zur Erfassung der Stromistwerte.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Regelsystem zur Regelung der Komponenten des Ständerstroms eines Drehstromantriebsmotors zu schaffen, mit dem die oben genannten Nachteile der klassischen Stromregelung behoben sind und ein stabiles Betriebsverhalten für den Drehstromantriebsmotor in allen Betriebsbereichen, insbesondere auch bei der Aussteuerungsgrenze, erreicht wird.

Die Lösung dieser Aufgabe erhält man durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale. Der im Anspruch 1 angegebene Mehrgrößenregler R_I verarbeitet die Stromsoll- und die Stromistwerte und kann effektiv solche Systemparameter wie Drehzahl, Polrad- bzw. Rotorfluß und insbesondere die Zwischenkreisspannung berücksichtigen, um daraus die zur optimalen Ansteuerung des Spannungs-Pulswechselrichters erforderlichen Spannungskomponenten bzw. Zündmuster zu erzeugen. Das Regelsystem mit dem Mehrgrößenregler berücksichtigt weiterhin sämtliche Systemrandbedingungen wie die Technik der Stromistwert-Erfassung und das um einen Regeltakt verzögerte Wirksamwerden (bzw. die Regeltotzeit) der vom Regler ermittelten Spannungskomponenten. Das Regelsystem ermöglicht eine höchstdynamische und statisch wie dynamisch weitestgehend verkopplungsfreie Einprägung der Stromkomponenten eines Drehstromantriebsmotors. Das Regelsystem zeichnet sich weiterhin dadurch aus, daß damit bei einem Antrieb mit SM eine Momentwelligkeit von unter 0,5% und mit ASM eine Momentwelligkeit von unter 1,0% bei Vollast zu erreichen ist. Das Regelsystem garantiert einen sehr guten linearen Zusammenhang zwischen dem Drehmoment und dem momentbildenden Strom im Grundstellbereich. Das Regelsystem ist am Einsatz leistungsstarker Signalprozessoren, was eine Regel-Abtastzeit von unter 200 µs erlaubt, orientiert. Weitere, vorteilhafte Merkmale der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 das erfindungsgemäße Regelsystem mit einem Mehrgrößenregler zur Ständerstromregelung,

Fig. 2 die verallgemeinerte Stromregelstrecke für ASM und SM,

Fig. 3 das Blockschaltbild des Regelsystems mit dem erfindungsgemäßen Mehrgrößenreglers gemäß Fig. 1,

Fig. 4 drei unterschiedliche Verläufe des Stromistwertes bei unterschiedlich ausgelegtem Regler R von Fig. 3,

Fig. 5 bis Fig. 10 Blockschaltbilder für unterschiedliche Anregelzeiten für ASM (Fig. 5 bis Fig. 7) und SM (Fig. 8 bis Fig. 10).

Fig. 1 zeigt den Einsatz des Mehrgrößenreglers R _I in einem feldorientiert geregelten Drehstromantriebssystem mit entweder ASM oder SM, die in Fig. 1 mit M bezeichnet ist.

In Fig. 1 werden die Sollwerte für die feld- und momentbildenden Stromkomponenten i*_sd und i*_sq von den überlagerten Reglern, wie von dem Flußregler 1 (im Fall des ASM- Einsatzes, bei einem SM-Einsatz beträgt der Sollwert i*_sd im Grundstellbereich Null) und von dem Drehzahlregler 2, vorgegeben. Die vom Mehrgrößenregler 3 berechneten Stellspannungskomponenten u_sdr und u_sqr werden mit Hilfe eines Vektordrehers (ab hier durch VDS abgekürzt) und einer Raumzeiger- bzw. Vektormodulation (ab hier durch RZM abgekürzt) zur Ansteuerung eines Spannungs-Pulswechselrichters 4 in Schaltzeiten umgerechnet. Diese Umrechnung gehört nicht zum Umfang der Erfindung. Die Strom- Istwerterfassung kann mit verschiedenen Techniken, mit Augenblickswertsmessung (z. B. mittels eines A/D-Umsetzers) oder mit integrierender Messung (z. B. mittels eines U/f- bzw. VFC-Converters mit anschließendem Vor-/Rückwärtszähler), erfolgen und liefert nach 3/2- Umrechnung mit anschließender Vektordrehung (ab hier durch VDI abgekürzt) die feldsynchronen Istwert-Komponenten i_sd und i_sq, die dann dem Mehrgrößenregler 3 zur Verfügung gestellt werden. Die Gewinnung der o.g. Istwert-Komponenten gehört nicht zum Umfang der Erfindung. Der Flußregler 1 erhält den Fluß-Istwert ψ_rd mit Hilfe eines Flußmodells (ab hier durch FM abgekürzt) beim ASM-Einsatz und wird bei einem SM- Einsatz abgeschaltet. Die Gewinnung des Fluß-Istwertes sowie die Abschaltung gehören nicht zum Umfang der Erfindung.

Ausgangspunkt für das Regelsystem sind die folgenden, diskreten Zustandsmodelle der Drehfeldmaschinen, die nicht zum Umfang der Erfindung gehören:

Für ASM:

x(k+1) = Φ _ASM x(k) + H _ASM u _s(k) (1)

mit dem Zustandsvektor x:

x ^T = [i_sd, i_sq, ψ′_rd, ψ′_rq]

und

und Eingangsvektor u _s:

u _s ^T = [u_sd, u_sq]

In dem Modell (1) der ASM sind:

u_sd, u_sq: die feldsynchronen Ständerspannungskomponenten,
i_sd, i_sq: die feldsynchronen Ständerstromkomponenten,
ψ_rd, ψ_rq: die feldsynchronen Rotorflußkomponenten,
L_m: die Koppelinduktivität,
Φ _ASM: die Transitionsmatrix und
H _ASM: die Eingangsmatrix,

wobei die Matrizen folgende, konkrete Formen haben:

mit den folgenden Formelzeichen:

T_r, T_s: die ständer-, die läuferseitige Zeitkonstante,
T: die Abtastzeit der unterlagerten Stromregelung,
σ: der Gesamt-Streufaktor,
ω, ω_s: die mechanische, die ständerseitige Winkelgeschwindigkeit
L_s: die ständerseitige Induktivität,
k = 0,1,2 . . .: die Abtastzeitpunkte.

Für SM gilt:

i _s(k+1) = Φ _SM i _s(k) + H _SM u _s(k) + h _SM ψ_p (4)

mit dem Zustandsvektor i_s, der zugleich der Vektor des Ständerstroms ist,

i _s ^T = [i_sd, i_sq]

und dem Eingangsvektor, der den Vektor der Ständerspannung wie bei der ASM (1) darstellt. Die Transitionsmatrix Φ _SM, die Eingangsmatrix H _SM und der Störvektor h _SM haben folgende konkrete Formeln:

mit den folgenden Formelzeichen:

L_sd, L_sq: die Längs-, die Quer-Ständerinduktivität,
T_sd, T_sq: die Längs-, die Quer-Ständerzeitkonstante,
ψ_p: der Polradfluß.

Fig. 2 zeigt die verallgemeinerte Stromregelstrecke für beide Maschinenarten ASM und SM, wobei

Φ: Φ _11,ASM beim ASM-Einsatz, Φ _SM beim SM-Einsatz,
H: H _1,ASM beim ASM-Einsatz, H _SM beim SM-Einsatz und
h: Φ _12,ASM beim ASM-Einsatz, h _SM beim SM-Einsatz

bedeuten. Unter der Betrachtung der Blöcke VDS, RZM und VDI als phasen- und betragsgetreue Übertragungsglieder ergibt sich in Fig. 3 das Blockschaltbild des erfindungsmäßigen Mehrgrößenreglers R _I, der für jede Stromkomponente i_sd oder i_sq eine der drei Sollübertragungsfunktionen in Fig. 4 realisiert und generell aus zwei Stufen besteht, wobei die 1. Stufe den eigentlichen Regler R darstellt und die 2. Stufe die durch eine Störgrößenaufschaltung erfolgte Kompensation des langsam veränderlichen - bei ASM - bzw. konstanten - bei SM -, als Störgrößen betrachteten Rotor- bzw. Polradflusses beinhaltet. Der eigentliche Regler R hat für drei Fälle in Fig. 4 die folgenden, allgemeinen Gleichungen:

Der erfindungsmäßige Strom-Mehrgrößenregler R _I mit R aus (8), (9) und (10) ist auf Endliche Einstellzeit (EEZ-Verhalten) bzw. schrittoptimal eingestellt. Dieses EEZ-Verhalten kommt dadurch zum Ausdruck, daß sich beim Einsatz von R aus:

1. (8) eine Anregelzeit von 2T,
2. (9) eine Anregelzeit von 3T und
3. (10) eine Anregelzeit von 4T ergeben wird,

wobei T die Abtastzeit der unterlagerten Stromregelung ist. Damit werden eine sehr große Regeldynamik und eine sehr gute Entkopplung zwischen der feld- und der momentbildenden Stromkomponente i_sd, i_sq erreicht.

Mit y als Ausgangsvektor bzw. -größe und mit der Regelabweichung x _w als Eingangsvektor bzw. -größe:

wobei der hochgestellte Index "*" auf einen Strom-Sollwert hindeutet, hat der dem erfindungsmäßigen Mehrgrößenregler R _I zugehörigen Regler R folgende Rechengleichungen:

1. beim ASM-Einsatz:
- 1.1 mit einer Anregelzeit von 2T (Fig. 5): y_d(k) = x_wdk) - Φ₁₁x_wdk(k-1) - Φ₁₂x_wqk(k-1) + y_d(k-2)
  y_q(k) = x_wq(k) - Φ₁₁x_wqk(k-1) + Φ₁₂x_wdk(k-1) + y_q(k-2) (12a,b)
- 1.2 mit einer Anregelzeit von 3T (Fig. 6):
- 1.3 mit einer Anregelzeit von 4T (Fig. 7): Dabei sind: mit: L_σ _s, L_σ _r: ständer-, rotorseitige Streuinduktivität,
  R_s, R_r: Ständer-, auf Ständer bezogener Rotorwiderstand,
  tief gestellter Index:
  wdk, wqk: korrigierte Stromregelabweichungen bei Stellspannungs begrenzung
2. beim SM-Einsatz:
- 2.1 mit einer Anregelzeit von 2T (Fig. 8): y_d(k) = x_wd(k) - Φ₁₁x_wdk(k-1) - Φ₁₂x_wqk(k-1) + y_d(k-2)
  y_q(k) = x_wq(k) - Φ₂₂x_wqd(k-1) + Φ₂₁x_wdk(k-1) + y_q(k-2) (15a,b)
- 2.2 mit einer Anregelzeit von 3T (Fig. 9):
- 2.3 mit einer Anregelzeit von 4T (Fig. 10): Dabei sind: mit: R_s: Ständerwiderstand,
  L_sd, L_sq: Längs-, Quer-Ständerinduktivität,
  tief gestellter Index:
  wdk, wqk: korrigierte Stromregelabweichung bei StellspannungsbegrenzungDie folgende, 2. Stufe des erfindungsmäßigen Strom-Mehrgrößenreglers R _I enthält die Kompensation der Störgröße bzw. des flußabhängigen Anteils sowie die Berechnung der Achskomponenten der zu realisierenden Ständerspannung mit anschließender Berücksichtigung der wegen der Zwischenkreisspannung automatisch wirksame Ständerspannungsbegrenzung und hat folgende Rechengleichungen:
3. beim ASM-Einsatz: Dabei sind:
4. beim SM-Einsatz: Dabei sind: Mit:I_N: Normierungsstrom (normalerweise der maximale Gerätestrom),
U_N: Normierungsspannung, die bei der Messung der Zwischenkreis spannung eingesetzt wird,
U_zk: normiert gemessene Zwischenkreisspannung.Die Achsspannungen u_sd(k+1) und u_sq(k+1) in (18a,b) und (19a,b) besagen, daß diese mit Hilfe von y_d(k) und y_q(k) im aktuellen Regeltakt (k) berechneten Spannungen erst im Takt (k+1) wirksam werden, und damit wird die Regeltotzeit, die einen Regeltakt T beträgt, berücksichtigt. Der Rotorfluß ψ_rd(k+1) der ASM in (18a,b) wird entweder mit einem Flußbeobachter oder mit dem folgenden Flußmodell geschätzt, wobei die Flußschätzung nicht zu dem erfindungsmäßigen Umfang gehört.ψ′_rd(k+1) = Φ₃₁i_sd(k) + Φ₃₃ψ′_rd(k) (20)Dabei sind: Der Polradfluß ψ_p der SM in (19b) kann anhand der Motor-Typendaten von Anfang an berechnet werden, mit:I_n: Nennstrom,
M_n: Nennmoment und
p: Polzahl des Motors,wobei der eingeklammerte Term von (21) den tatsächlichen Polradfluß darstellt, und ψ_p in (19b) und (21) bedeutet praktisch den auf I_N bezogenen Ersatz-Magnetisierungsstrom und wird für den Fall des Feldschwächbetriebs mit ψ_p-i_sd(k) eingesetzt.
In den bisherigen Rechengleichungen sind die Ströme i_sd und i_sq, der Rotorfluß ψ′_rd und der Polradfluß ψ_p auf I_N, die Spannungen u_sd und u_sq auf 2/3 der Zwischenkreisspannung - also auf die maximale Wechselrichteraussteuerung - und die Zwischenkreisspannung U_zk auf U_N normiert. Die Normierung der Ständer-Achsspannungen u_sd und u_sq auf 2/3 der tatsächlich vorliegenden Zwischenkreisspannung macht eine Erfassung dieser Spannung und eine davon abhängige online-Aktualisierung der Verstärkungsfaktoren 1/h₁₁, 1/h₂₂ in (18a,b) und (19a,b) notwendig.
Die 2. Stufe des erfindungsmäßigen Mehrgrößenreglers R _I hat allerdings noch die Aufgabe, die berechneten, d. h. die vom Regler geforderten, bzw. die zu realisierenden Achsspannungen u_sd und u_sq im Fall der aktiven Spannungsbegrenzung wegen dem im Regler implizit vorhandenen Integralanteil zu berücksichtigen und damit die möglichen Oszillationen zu vermeiden. Unabhängig davon, wie die Begrenzung erfolgt, werden in diesem Fall statt u_sd und u_sq tatsächlich nur u_sdr und u_sqr realisiert. Dann müssen die akkumulierten Werte wie die Regelabweichungen x_wd, x_wq und die Größen y_d, y_q dementsprechend korrigiert werden.
5. Korrektur von y(k) beim ASM-Einsatz: In den Fig. 5 bis 7 wird diese Korrektur durch die beiden Umschalter 5 und 6 realisiert. D.h. beim Eintreten der Spannung in die Begrenzung werden nicht die Werte y_d(k) und y_q(k), sondern die den tatsächlich realisierten Spannungen u_sdr(k+1) und u_sqr(k+1) entsprechenden Werte, akkumuliert. In Worten formuliert heißt es, daß bei vorhandenem Unterschied zwischen den geforderten Spannungen u_sd, u_sq und den tatsächlich realisierten u_sdr, u_sqr, der durch die Differenzen (u_sd- u_sdr) und (u_sq-u_sqr) zu erkennen ist, eine Umschaltung der Akkumulation erfolgt.
6. Korrektur von x_w(k) beim ASM-Einsatz:
- 6.1 mit einer Anregelzeit von 2T:
- 6.2 mit einer Anregelzeit von 3T:
- 6.3 mit einer Anregelzeit von 4T:
7. Korrektur von y(k) beim SM-Einsatz: Ähnlich wie bei der ASM wird diese Korrektur in den Fig. 8 bis 10 durch die Umschalter 7 und 8 realisiert
8. Korrektur von x _w(k) beim SM-Einsatz:
- 8.1 mit einer Anregelzeit von 2T:
- 8.2 mit einer Anregelzeit von 3T:
- 8.3 mit einer Anregelzeit von 4T:
- Die Korrekturen nach (22a,b) . . . (29a,b) sind wegen der in den Reglern implizit vorhandenen Integralanteile notwendig und garantieren im Zusammenspiel mit den vorderen Stufen des erfindungsmäßigen Mehrgrößenreglers R _I ein stabiles Betriebsverhalten des Antriebssystems in allen Betriebsbereichen, im Grundstell- und im Feldschwächbereich, besonders bei der Aussteuergrenze.

Claims

1. Regelsystem zur Regelung der Komponenten des Ständerstroms eines Drehstromantriebsmotors (M), bei dem ein vektorieller Mehrgrößenregler (R _I) zum Einsatz kommt, zur schnellen und verkopplungsfreien Einprägung der Komponenten i_sd, i_sq des Ständerstroms eines Drehstromantriebsmotors, der entweder eine Kurzschlußläufer- Asynchronmaschine (ASM) oder eine permanentmagnet-erregte Synchronvollpolmaschine (SM) sein kann, im rotor- oder polradfluß- bzw. feldorientierten Koordinatensystem, bei dem die Stromistwerte und die Drehzahl des Drehstromantriebsmotors gemessen und die Sollwerte für die feldbildenden und die momentbildenden Stromkomponenten i*_sd, i*_sq von den P1-Reglern (1) und (2) vorgegeben werden und unter Berücksichtigung von Systemparametern mittels des Mehrgrößenreglers (R _I) ein Spannungs-Pulswechselrichter (4) gesteuert wird, der ausgangsseitig die Phasenspannungen und die Phasenströme für den Drehstromantriebsmotor (M) liefert, dadurch gekennzeichnet, daß der Mehrgrößenregler (R _I) ausgangsseitig normierte Werte für die Ständerspannungskomponenten u_sdr, u_sqr abgibt, deren Maximalwerte auf einen niedrigeren Wert als der normierte Wert der den Spannungs- Pulswechselrichter (4) speisenden Zwischenkreisspannung U_zk begrenzt sind.

2. Regelsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anregel- bzw. die Einstellzeiten der Stromkomponenten das Zweifache, das Dreifache oder das Vierfache, je nach Auslegung des Mehrgrößenreglers R _I der Abtastperiode T der Stromregelung beträgt.

3. Regelsystem nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß, wenn die Stellreserve nicht ausreicht bzw. die Zwischenkreisspannung U_zk zu klein ist oder die Spannung in die Begrenzung eintritt, die Anregel- bzw. die Einstellzeit dann dementsprechend ein Mehrfaches der Abtastperiode T der Stromregelung beträgt.

4. Regelsystem nach Ansprüchen 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die vom Mehrgrößenregler (R _I) ausgegebenen und gegebenenfalls begrenzten Werte für u_sdr und u_sqr wegen der Erhaltung der Systemstabilität zur Korrektur der akkumulierten Werte wie y_d, y_q, x_wd und x_wq eingangsseitig zurückgeführt werden.

5. Regelsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Mehrgrößenregler (R _I) aus einer ersten Stufe besteht, die der Gleichung oder oder genügt, und daß der ersten Stufe eine zweite Stufe nachgeschaltet ist, die die zu realisierenden Ständerspannungen erzeugt und unter Berücksichtigung der vorhandenen Zwischenkreisspannung (U_zk) eine Spannungsbegrenzung für die Ständerspannung vornimmt.