DE69124694T2

DE69124694T2 - Vorrichtung für ein "nach dem Feldorientierungsprinzip" arbeitendes, universelles Steuerungsgerät eines Induktionsmotors

Info

Publication number: DE69124694T2
Application number: DE69124694T
Authority: DE
Inventors: Rik Wivina Anna Adel Dedoncker; Kenneth Browning Haefner; Robert Dean King; Peter Claudius Sanza
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1991-10-02
Filing date: 1991-11-15
Publication date: 1997-09-11
Anticipated expiration: 2011-11-16
Also published as: DE69124694D1; US5166593A; EP0535281A1; JP3325032B2; JPH06343283A; EP0535281B1

Description

Diese Anmeldung steht in Beziehung zu EP-A-0 535 280 (Europäische Patentanmeldung 91 310 552.4 (Aktenzeichen der Anmelderin RD-21534)), die gleichzeitig hiermit eingereicht wurde.

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Feld-orientierte Regler. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine Drehmomentregelung für eine Feld-orientierte Universalregler für eine Induktionsmaschine.

Hintergrund der Erfindung

EP-A-0 076 029 und US-A-4 023 083 beschreiben Anordnungen zum Regeln des Drehmomentes von einem Induktionsmotor. In dem ersten Fall soll die Regelung dem Induktionsmotor eine äquivalente Leistungsfähigkeit wie Gleichstrommotoren geben, während sich der zweite Fall auf ein Regelsystem für eine Drehmomentregelung bezieht, die zwei Rückführungsschleifen verwendet.
In dem gemeinschaftlich übertragenen US-Patent 4 968 925 von Rik W.A.A. De Doncker, erteilt am 6. November 1990, ist eine universale feldorienterte (UFO)-Regeleinrichtung beschrieben, die eine feldorientierte Regelung von Induktionsmaschinen in einem willkürlichen Flußreferenzrahmen erlaubt. Das Prinzip der UFO-Regeleinrichtung bezieht sich sowohl auf die direkte als auch indirekte Feldorientierung. In der Praxis erlaubt dies die Integration von sechs unterschiedlichen Feldorientierungsschemata in eine einzige Regelung, d.h. direkte und indirekte Feldorientierung in Rotorfluß-, Luftspaltfluß- und Statorfluß-Referenzrahmen. Im Betrieb der UFO-Regeleinrichtung wird ein Synchronreferenzrahmen durch Einstellen des effektiven Stator/Rotor-Windungsverhältnisses auf einen diesem entsprechenden vorbestimmten Wert gewählt. Übergänge zwischen den Referenzrahmen werden durch Ändern des Windungsverhältnisses ausgeführt. Das Ergebnis ist eine vollständige Entkopplung des Drehmomentes und Flusses in einem flexiblen, einfachen und robusten Antrieb, der gegenüber Maschinenparametern relativ unempfindlich ist.
Die oben genannte EP-A-0 535 280 beschreibt ein Hochgeschwindigkeits-Flußrückführungssystem für eine UFO- Regeleinrichtung, das schnell und genau die Amplituden- und Winkelkomponenten des Flusses zur Verwendung in dem feldorientierten Regelschema liefert. Die Flußrückführung gemäß EP-A-0 535 280 hat einen abgestimmten Betrieb von einem Induktionsmaschinenantrieb bei dem Sollfluß und einer entsprechenden Schlupffrequenz zur Folge, wenn nicht beispielsweise durch den Stromregler und/oder Wechselrichter Fehler eingeführt werden. Derartige Fehler können bewirken, daß das durch den Motor erzeugte Drehmoment sich von dem Soll-Drehmoment unterscheidet. Es ist deshalb wünschenswert, eine Drehmoment-Rückführungsschleife für eine UFO-Regeleinrichtung zu schaffen, um eine robuste Drehmomentregelung über einem breiten Drehzahlbereich beizubehalten.

Zusammenfassung der Erfindung

Erfindungsgemäß wird eine Einrichtung für einen universalen Feld-orientierten Regler für einen Induktionsmotor geschaffen, enthaltend: eine Flußabtast-Einrichtung zum Abtasten der Längs- bzw. Querkomponenten des Flusses in einem stationären Referenzrahmen, der mit einer vorbestimmten Phase des Induktionsmotors verbunden ist; eine Stromabtast-Einrichtung zum Abtasten der entsprechenden Statorphasenströme in wenigstens zwei Phasen der durch Induktion vorbestimmten Phase des Induktionsmotors; eine Drehmoment- Berechnungseinrichtung zum Berechnen von Drehmoment aus den abgetasteten Flußkomponenten und den abgetasteten Statorphasenströmen; eine Vergleicher-Einrichtung zum Vergleichen des Drehmomentes von der Drehmoment-Berechnungseinrichtung mit einem Drehmoment-Sollwert und zum Erzeugen eines Differenzsignals daraus; gekennzeichnet durch eine erste Drehmoment-Rückführungsschleife, die einen ersten Proportional- Integral-Kompensator aufweist, dem eine erste Summierstelle folgt, die den Strom-Sollwert empfängt, zum Empfangen des Differenzsignals und zum Abstimmen eines Drehmoment erzeugenden Strom-Sollwertes in Übereinstimmung damit; und eine zweite Drehmoment-Rückführungsschleife, die einen zweiten Proportional-Integral-Kompensator aufweist, dem eine zweite Summierstelle folgt, die den Schlupffrequenz-Sollwert empfängt, zum Empfangen des Differenzsignals und zum Abstimmen eines Schlupffrequenz-Sollwertes in Übereinstimmung damit, wobei beide abgestimmten Sollwertsignale ohne Rotorflußberechnungen erzeugt werden und unabhängig von den Parametern des Motors sind.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird ein Drehmoment-Rückführungssystem in der UFO-Regeleinrichtung für eine Induktionsmaschine verwendet, um einen drehmomenterzeugenden Strom-Sollwert und einen Schlupffrequenz- Sollwert abzustimmen. Die Längs(d)- und Quer(q)-Komponenten des Flusses ψd bzw. ψq werden durch Flußsensoren abgefühlt; und Statorphasenströme werden durch Stromfühler abgefühlt, um die dq Komponenten des Stroms isd bzw. isq zu liefern. Drehmoment wird aus den abgetasteten Fluß- und Stromgrößen nach dem Ausdruck berechnet:
wobei p die Statorpolpaarzahl darstellt. Der Wert des Drehmoments Tem wird mit einem Drehmoment-Sollwert verglichen, und der resultierte korrigierte Drehmoment- Sollwert wird benutzt, um den Strom-Sollwert und den Schlupffrequenz-Sollwert abzustimmen.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Die Erfindung wird nun mit näheren Einzelheiten als Beispiel anhand der Zeichnung beschrieben, deren einzige Figur eine UFO-Regeleinrichtung darstellt, die eine Drehmoment-Rückführung gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung verwendet.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

Die Zeichnungsfigur stellt eine UFO-Regeleinrichtung des Typs, der in dem oben genannten US-Patent 4 968 925 von De Doncker beschrieben ist, mit dem Zusatz der Flußrückführung dar, wie sie in der oben genannten EP-A-0 535 280 beschrieben ist, und die ferner eine Drehmoment- Rückführung gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet. Wie in dem US-Patent 4 968 925 beschrieben ist, sind die Induktionsmachinen-Gleichungen, ausgedrückt in einem willkürlichen synchronen Referenzrahmen i verkettet mit einem willkürlichen Flußvektor, wie folgt:
wobei:
vs = augenblickliche Statorspannung
Rs = Statorwiderstand
Rr = Rotorwiderstand
Lh = Hauptinduktivität
Lsl = Statorstreuinduktivität
Lrl = Rotorstreuinduktivität
Ls = Statorinduktivität
Lr = Rotorinduktivität
Tem = elektromagnetisches Drehmoment
p = Polpaarzahl
TLast = Last-Drehmoment
J = Systemträgheit
γ = Winkelstellung der Rotorwelle in bezug auf einen feststehenden Statorreferenzrahmen
γ = Winkel von einer feststehenden Statorreferenz zu einem willkürlichen Referenzrahmen i
γ = Winkel von der Rotorwelle zu dem willkürlichen Referenzrahmen i;
und die Systemvariablen einschließlich der Flußverkettung ψ und des Stroms i werden nach der folgenden Konvention geschrieben:
mit:
j = r: Rotorgrößen
j = s: Statorgrößen
j = h: Luftspaltgrößen
j = m: mechanische Rotorgröße (Stellung)
i = r: Rotorfluß-Synchronreferenzrahmen
i = s: stationärer Referenzrahmen verkettet mit Phase a der Statorwicklungen
i = t: Statorfluß-Synchronreferenzrahmen
i = h: Luftspaltfluß-Referenzrahmen
i = m: rotierender Referenzrahmen verkettet mit der Rotorwelle
i = i: willkürlicher Synchronreferenzrahmen
i = a: Synchronreferenzrahmen verkettet mit willkürlichem Flußvektor.
Gemäß dem US-Patent 4 968 925 ist der willkürliche Referenzrahmen i verkettet mit einem willkürlichen Flußvektor, der aus den obigen Flußverkettungsgleichungen (3) und (4) durch eine Stator/Rotor-effektive Windungsverhältnis(a)-Transformation abgeleitet werden kann.
Wie in der Zeichnungsfigur gezeigt ist, enthält die UFO-Regeleinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung eine erste Drehmoment-Rückführungsschleife zum Regeln des drehmomenterzeugenden Strom-Sollwertes i . Eine zweite Drehmoment-Rückführungsschleife ist vorgesehen, um die Schlupffrequenz ω * zu regeln. Auf diese Weise wird eine robuste Drehmomentregelung über einen breiten Drehzahlbereich und während Übergängen zwischen Betriebsarten beibehalten, beispielsweise Übergänge zwischen einem stromgeregelten Pulsbreiten-Modulationsmodus und einem sechsstufigen Reckeckwellenmodus an der Eckpunktdrehzahl des Motors. Darüber hinaus behält die Drehmoment-Rückführungsschleife eine robuste Regelung während sowohl direkter (DUFO) als auch indirekter (IUFO) Feldorientlerungsmodi bei.
Wie in der Zeichnungsfigur gezeigt ist, werden für einen Betrieb der UFO-Regeleinrichtung in einem direkten Feldorientierungs(DUFO)-Modus Messungen der Längs(d)- und Quer(q)-Komponenten des Flusses ψ bzw. ψ aus den entsprechenden Statorphasen von einem Induktionsmotor 10 durch eine Flußabtasteinrichtung 11 genommen; und Phasenstrommessungen i und i werden durch eine Stromabtasteinrichtung 13 genommen. (Beispielsweise ist gezeigt, daß Strommessungen von nur zwei Phasen einer dreiphasigen Maschine genommen werden, z.B. Phasen a und b; es könnten jedoch Phasenstrommessungen von allen drei Phasen gemacht werden, wenn dies erwünscht ist.) Die abgetasteten Fluß- und Stromwerte werden an einen Computer für Feldorientierung (CFO) 12 geliefert. Der CFO 12 ermittelt schnell und genau die Amplituden- und Winkelkomponenten des Flusses aus den Flußmessungen und liefert eine Rückführung des Flußamplitudenquadrates ψ² (oder alternativ eine lineare Flußrückführung ψ) gemäß EP-A-0 535 280. Weiterhin ermittelt gemäß der vorliegenden Erfindung der CFO 12 schnell und genau das Drehmoment Tem des Induktionsmotors zur Verwendung als eine Rückführung zum Abstimmen des drehmomenterzeugenden Strom-Sollwertes i und den Schlupffrequenz-Sollwert ω *.
Die Flußabtasteinrichtung 11 kann Halleffekt-Sensoren oder Flußspulen aufweisen, um Fluß direkt zu messen. Alternativ kann die Flußabtasteinrichtung 11 Fluß aus Messungen von Statorspannungen und -strömen in einer bekannten Weise berechnen gemäß:
ψ = (Vs - IsRs)dt
wobei Rs der Widerstand der entsprechenden Statorphasenwicklung ist, Vs die Statorspannung ist und Is der entsprechende Statorphasenstrom ist.
Die Stromabtast-Einrichtung 13 kann irgendwelche geeigneten Stromsensoren aufweisen, beispielsweise Halleffekt-Stromsensoren, Stromabtast-Transformatoren oder Stromabtast-Widerstände.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird das Drehmoment Tem durch CFO 12 ermittelt, wobei die abgetasteten Fluß- und Stromgrößen gemäß dem Ausdruck verwendet werden:
Wenn beispielsweise die Phase a als die Referenzphase gewählt wird, dann ist die d Komponente des Stroms i d gleich dem abgetasteten Strom der Phase a; und die q Komponente des Stroms i q wird ermittelt durch den Ausdruck:
Wie in der Zeichnungsfigur gezeigt ist, wird das Drehmoment Tem in einer Summierstelle 15 mit dem Drehmoment-Sollwert T m verglichen, und das entstehende Differenzsignal nimmt zwei Pfade. In einem ersten der zwei Pfade wird das Differenzsignal aus der Summierstelle an einen ersten Proportional-Integral(PI)-Kompensator bzw. -Regler 17 angelegt. Das Ausgangssignal aus dem ersten PI Kompensator 17 wird einer ersten Summierstelle 19 mit dem Strom-Sollwert i addiert, der von dem Drehmoment-Sollwert T m durch einen Dividierblock 30 abgeleitet wird. Der drehmomenterzeugende Strom-Sollwert i wird dadurch für eine robuste Regelung in jedem Betriebsmodus abgestimmt.
In dem zweiten Drehmoment-Rückführungspfad wird das Differenzsignal aus der Summierstelle 15 an einen zweiten PI-Kompensator bzw. -Regler 21 angelegt. Das Ausgangssignal aus dem zweiten PI Kompensator 21 wird in einer zweiten Summierstelle 23 zu einem Schlupffrequenz-Sollwert ω * hinzuaddiert, der von dem Strom-Sollwert i über Blocke 32 und 34 abgeleitet wird, wie es nachfolgend beschrieben wird. Der Schlupffrequenz-Sollwert ω * wird dadurch für eine robuste Regelung in jedem Betriebsmodus abgestimmt.
Die übrigen Elemente der in der Zeichnungsfigur gezeigten UFO Regeleinrichtung sind wie in der Patentanmeldung EP-A-0 535 280 (Anmelderzeichen RD-21534) beschrieben. Genauer gesagt, wird ein Fluß-Sollwert ψ in einer Multiplizierschaltung 14 quadriert und dann durch eine Summierstelle 16 mit der das Quadrat der Flußamplitude darstellenden Rückführung ψ² von dem CFO 12 verglichen. Das entstehende Fehlersignal wird an einen Proportional-Integral(PI)- Kompensator bzw. -Regler 18 angelegt, dessen Ausgangssignal an einen weiteren PI-Kompensator bzw. Regler 20 angelegt und über einen alternativen Pfad einer Summierstelle 22 zugeführt wird. Die Ausgangsgröße des PI Kompensators 20 wird zu der Leerlaufverstärkung K* von einer Multiplizierschaltung 24 hinzuaddiert. Genauer gesagt, wird der PI-Kompensator 20 so eingestellt, daß er eine langsame Verstärkungsänderung liefert, um K* für ene Abstimmung der UFO-Regeleinrichtung anzupassen. Ein Ausdruck für die Leerlaufverstärkung ist wie folgt gegeben:
Das entstehende Signal K*ψ wird an eine Schaltungsanordnung 26 angelegt mit der Übertragungsfunktion
Das Signal K*ψ wird auch über einen alternativen Pfad einer Summierstelle 28 zugeführt, in der es mit der direkten Komponente des Statorstroms i d gemäß den UFO Entkopplungsgleichungen kombiniert wird, die in dem oben angegebenen US-Patent 4 968 925 von De Doncker angegeben sind. Der Statorstrom-Sollwert i , der vom Drehmoment-Sollwert T m über den Dividierblock 30 abgeleitet wird, wird an eine Schaltungsanordnung 32 angelegt mit der Übertragungsfunktion
Das entstehende Signal wird in einer Dividierschaltung 34 durch das Ausgangssignal der Summierstelle 28 geteilt, um einen Rotorschlupffrequenz-Sollwert ω * zu erzeugen. Der Statorstrom-Sollwert i wird auch an eine Multiplizierschaltung 36 angelegt, in der er mit dem Rotorschlupffrequenz-Sollwert ω * multipliziert wird. Das Ausgangssignal der Multiplizierschaltung 36 wird in der Summierstelle 22 zu dem bereits genannten Ausgangssignal der Schaltungsanordnung 26 und zu dem Ausgangssignal aus dem PI Kompensator 18 hinzuaddiert. Der PI Kompensator 18 ist so eingestellt, daß er eine schnelle Flußrückführung liefert, so daß, wenn die Leerlaufverstärkung K* durch den langsamen PI-Kompensator 20 abgestimmt ist, die Ausgangsgröße aus dem PI-Kompensator 18 dann Null ist. Das Ausgangssignal aus der Summierstelle 22 wird an eine Schaltungsanordnung 40 angelegt mit der Übertragungsfunktion
die die direkte oder Längskomponente des Statorstroms i liefert.
Die direkte Komponente des Statorstrorns i aus der Schaltungsanordnung 40 und die q Komponente des Strom-Sollwertes i werden einem Vektordreher- und Zwei-Bis-Drei- Phasentransformationsblock 42 zugeführt, der die dq Koordinaten des Statorstromvektors von einem willkürlichen Synchronreferenzrahmen (vernetzt mit einem willkürlichen Flußvektor) in einen stationären Dreiphasenreferenzrahmen transformiert, wie es in dem oben genannten US-Patent 4 968 925 beschrieben ist. Genauer gesagt, weisen in dem in der Zeichnungsfigur dargestellten UFO Regelungsschema die Ausgangssignale aus dem Vektordreherblock 42 dreiphasige Treibersignale auf zum Speisen der drei Phasen von einem stromgeregelten Pulsbreiten-modulierten (CRPWM) Wechselrichter 44 auf, um die drei Phasen des Induktionsmotors 10 in bekannter Weise zu speisen.
Für den Betrieb der UFO Regeleinrichtung in der Zeichnungsfigur wird eine im indirekten Feldorientierungsmodus (IUFO) arbeitende Wellenstellungs-Abtasteinrichtung 46 verwendet, um den Rotorstellungswinkel γ zu messen und weiterhin eine Frequenzmessung ω zu liefern. Ein Integrator 48 ist vorgesehen, um den Rotorschlupffrequenz-Sollwert ω * zu integrieren, wobei ein Rotorschlupfwinkel-Sollwert γ * erhalten wird. Der Rotorschlupfwinkel-Sollwert γ * wird in einer Summierstelle 50 zu dem Rotorstellungssignal γ von der Wellenstellungs-Abtasteinrichtung 46 hinzuaddiert, um ein Signal zu erzeugen, das den Winkel γ * darstellt.
Der Winkel γ * von der Summierstelle 50, der Schlupffrequenz-Sollwert ω * von dem Dividierblock 34, die Ausgangssignale γ * und ω * von dem CFO 12 und das Frequenzsignal ω von der Wellenstellungs-Abtasteinrichtung 46 werden an einen DUFO/IUFO Wahl- und Übergangsblock 52 angelegt zum Wählen eines Betriebs in und zur Freigabe von Übergängen zwischen DUFO und IUFO-Modi.
Das Drehmoment-Rückführungssystem gemäß der vorliegenden Erfindung kompensiert in vorteilhafter Weise Stromreglerfehler und andere Fehler, wie beispielsweise diejenigen, die durch Wechselrichterverzögerungen eingeführt werden. Wenn beispielsweise ein Induktionsmotorantrieb in einem PWM Modus arbeitet und in einen sechsstufigen Rechteckwellenmodus übergeht, kommt der Stromregler in Sättigung. In diesem Augenblick können die Drehmoment- und Flußregelung des Stroms in Sättigung kommen, aber die Drehmomentregelung der Schlupffrequenz übernimmt und behält eine richtige Regelung des Drehmomentes bei.
Es wurden hier zwar bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung gezeigt und beschrieben, es ist aber offensichtlich, daß diese Ausführungsbeispiele nur zu Beispielzwecken angegeben worden sind.

Claims

1. Einrichtung für einen universalen Feld-orientierten Regler für einen Induktionsmotor, enthaltend:

eine Flußabtast-Einrichtung (11) zum Abtasten der Längs- bzw. Querkomponenten (ψd und ψq) des Flusses in einem stationären Referenzrahmen, der mit einer vorbestimmten Phase des Induktionsmotors verbunden ist;

eine Stromabtast-Einrichtung (13) zum Abtasten der entsprechenden Statorphasenströme (is,is) in wenigstens zwei Phasen der durch Induktion vorbestimmten Phase des Induktionsrnotors;

eine Drehmoment-Berechnungseinrichtung (12) zum Berechnen von Drehmoment (Tem) aus den abgetasteten Flußkompnenten und den abgetasteten Statorphasenströmen;

eine Vergleicher-Einrichtung (15) zum Vergleichen des Drehmomentes von der Drehmoment-Berechnungseinrichtung mit einem Drehmoment-Sollwert (T ) und zum Erzeugen eines Differenzsignals daraus;

gekennzeichnet durch

eine erste Drehmoment-Rückführungsschleife, die einen ersten Proportional-Integral-Kompensator (17) aufweist, dem eine erste Summierstelle (19) folgt, die den Strom-Sollwert empfängt, zum Empfangen des Differenzsignals und zum Abstimmen eines drehmomenterzeugenden Strom-Sollwertes (i ) in Übereinstimmung damit; und

eine zweite Drehmoment-Rückführungsschleife, die einen zweiten Proportional-Integral-Kompensator (21) aufweist, dem eine zweite Summierstelle (23) folgt, die den Schlupffrequenz-Sollwert empfängt, zum Empfangen des Differenzsignals und zum Abstimmen eines Schlupffrequenz-Sollwertes (ω )* in Übereinstimmung damit, wobei beide abgestimmten Sollwertsignale ohne Rotorflußberechnungen erzeugt werden und unabhängig von deii Parametern des Motors sind.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, wobei der Induktionsmotor drei Statorphasen hat und Strom durch die Stromabtasteinrichtung in zwei Statorphasen abgetastet wird, wobei das Drehmoment durch die Drehmoment-Berechnungseinrichtung berechnet wird gemäß dem Ausdruck:

wobei p die Polpaarzahl des Induktionsmotors darstellt und wobei eine der zwei abgetasteten Phasen als die Referenzphase gewählt wird, so daß die d-Komponente des Stroms i d gleich dem Phasenstrom i ist, der in der einen der Phasen abgetastet wird, und die q-Komponente des Stroms i q ermittelt wird gemäß dem Ausdruck:

> wobei der Phasenstrom, der in der zweiten der abgetasteten Phasen abgetastet wird, durch i dargestellt wird.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, wobei die Flußabtast- Einrichtung Flußspulen aufweist.

4. Einrichtung nach Anspruch 1, wobei die Flußabtast- Einrichtung enthält:

eine Spannungsabtast-Einrichtung zum Abtasten der Statorspannung Vs über der entsprechenden Statorphasenwicklung; und

eine Flußabschätz-Einrichtung zum Liefern einer Schätzung des Flusses ψ gemäß:

ψ = (Vs - IsRs) dt,

wobei Rs der Widerstand der entsprechenden Statorphasenwicklung und Is der entsprechende Statorphasenstrom ist.