EP1397858A1 - Method and circuit for the sensorless, electric measurement of the position of a rotor of a permanently excited synchronous machine - Google Patents

Method and circuit for the sensorless, electric measurement of the position of a rotor of a permanently excited synchronous machine

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Publication number
EP1397858A1
EP1397858A1 EP02774030A EP02774030A EP1397858A1 EP 1397858 A1 EP1397858 A1 EP 1397858A1 EP 02774030 A EP02774030 A EP 02774030A EP 02774030 A EP02774030 A EP 02774030A EP 1397858 A1 EP1397858 A1 EP 1397858A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
pattern
current
rotor position
synchronous machine
stator
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP02774030A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Sighard SCHRÄBLER
Achim Netz
Holger LÜDTKE
Peter Stauder
Marcus Schulz
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Continental Teves AG and Co OHG
Original Assignee
Continental Teves AG and Co OHG
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Filing date
Publication date
Priority claimed from DE10220122A external-priority patent/DE10220122A1/en
Application filed by Continental Teves AG and Co OHG filed Critical Continental Teves AG and Co OHG
Publication of EP1397858A1 publication Critical patent/EP1397858A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P21/00—Arrangements or methods for the control of electric machines by vector control, e.g. by control of field orientation
    • H02P21/12—Stator flux based control involving the use of rotor position or rotor speed sensors
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P21/00—Arrangements or methods for the control of electric machines by vector control, e.g. by control of field orientation
    • H02P21/14—Estimation or adaptation of machine parameters, e.g. flux, current or voltage
    • H02P21/141—Flux estimation
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P6/00—Arrangements for controlling synchronous motors or other dynamo-electric motors using electronic commutation dependent on the rotor position; Electronic commutators therefor
    • H02P6/14—Electronic commutators
    • H02P6/16—Circuit arrangements for detecting position
    • H02P6/18—Circuit arrangements for detecting position without separate position detecting elements

Definitions

  • the invention relates to a method for sensorless, electrical rotor position measurement of a permanently excited synchronous machine, which is fed via converters, by means of measurement signals which are fed to an evaluation device which calculates the electrical rotor position from the angle dependence of the current space vector with an impressed stator flow pattern, the magnitude curve of the differential current space vector being approximately sinusoidal fluctuates twice the value of the sought electrical rotor position angle, and a circuit arrangement for performing the method.
  • Another feature of the method according to the invention is that a star-shaped stator flow pattern running through the zero point is embossed, which on average over time generates almost no torque in the synchronous machine. This measure ensures that devices coupled to the synchronous machine, for example an electromechanical vehicle brake which can be actuated by the synchronous machine, are not loaded.
  • Another feature of the invention provides that certain frequency components in the power density spectrum are reduced. Even if the inertia of the rotor prevents the synchronous machine from shaking during energization - the mean value of the torque over time is zero - the magnetostriction in the stator plate nevertheless ensures an audible noise. How much of this can be perceived externally largely depends on the resonance frequencies of the housing. Skillful energization of the synchronous machine with a frequency-optimized flow pattern can, however, be avoided to excite the resonance frequencies.
  • the rotor position is determined by cross-correlating the measured amount curve with a tabularly stored amount curve. If only the maximum in the course of the amount is used for evaluation, this is inaccurate since only one measured value is used by many. The disturbance of only one measured value could render the result unusable.
  • the correlation with a given course processes all measured values and in this way achieves much better accuracy: and immunity to interference.
  • the angle of rotation sought corresponds to the index of the maximum value in the cross-correlated.
  • a particularly simple evaluation is achieved in that the rotor position is determined by zeros and extreme values of the measured amount curve.
  • an exact evaluation by means of arithmetic transformation of at least two sampled phase currents in the magnitude curve and phase curve is achieved in that the magnitude curve is calculated from the phase currents by inverse Clarcke and Park transformation (ICPT).
  • ICPT inverse Clarcke and Park transformation
  • a simplified evaluation, in which the amount curves can even be determined completely without the use of processors, can be achieved in that an estimate of the amount curve is determined from the total current of the converter with the aid of a suitable flow pattern.
  • the converter transforms its supply current into the estimated value of the magnitude component by applying special base vectors at the sampling times.
  • the resolution remains limited to 60 ° el. Rotor position angle when using a three-phase motor.
  • Another advantageous further development of the invention provides that instead of the temporal change of the current space pointer, differences of current space pointers at different times of the flow pattern or differences of current time areas can be used to determine the course of the amount. Differences of current space pointers and differences of current time areas enable a higher resolution of the sought electrical rotor position angle than the evaluation of the temporal change of the current space pointer.
  • Stator voltage space vector by vector modulation and pulse width modulation is composed of several base vectors.
  • the vector modulation assembles the stator flow direction from the base vectors that can be represented by the converter, the pulse width modulation stipulating the duration for which these base vectors must be present.
  • a circuit arrangement for sensorless, electrical rotor position measurement of a permanently excited synchronous machine, with a control signal generating device, a converter for feeding the synchronous machine and an evaluation device for evaluating the measurement signals generated by the current measuring device, is characterized in that the control signal generating device has a pattern generator for generating a flow pattern and contains a scanning signal generator, which provides control signals for the evaluation device, that the converter contains a flow model of the synchronous machine and a current measuring device, the flow model from the Flow pattern generates a voltage pattern, which is impressed into the synchronous machine and the current measuring device determines the current flow pattern that occurs and the evaluation device calculates the course of the amount of the differential current space pointer from the current flow pattern and from this derives the sought-after electrical rotor position angle to 360 °.
  • control signal generating device contains a clock generator, the clock signal of which is fed to a counter, the counter status of which is made available to both the pattern generator and the scanning signal generator, the pattern generator specifying a stator flow pattern and the scanning signal generator timing for sampling Prescribes current profiles from which the sought electrical rotor position angle is derived.
  • a constant time cycle makes it possible to simplify the known method mentioned above, according to which the inductance which is dependent on the rotor position must be determined. The reciprocal of the inductance is proportional to the change in current per unit of time. If constant time units are used, the procedure is simplified to evaluate the change in current.
  • the stator flux pattern can be calculated offline and can be reproduced from a memory without change.
  • the prerequisites for this are the constant timing and the stationary synchronous machine.
  • the flow model preferably generates a voltage pattern from the flow pattern by a motor flow observer or a flow measuring device, which voltage pattern is fed to a vector pulse width modulator.
  • the synchronous machine represents an inductance in the model and therefore builds up its flow pattern only with a delay when the voltage pattern is applied. Due to the variable inductance, the delay time itself depends on the rotor position angle. This is taken into account by a real flow measurement via the current flow pattern that occurs, or is simplified by a low-pass filter with a constant delay.
  • the vector pulse width modulator generates control signals for a multiphase bridge, which impresses the current pattern in the synchronous machine, the phase currents of the multiphase bridge or a supply current of the multiphase bridge or the “high” or “low” side in the multiphase bridge occurring bridge currents are measured.
  • the current profiles to be measured are selected using a switch. While the phase currents can be evaluated at any time, the "high” or “low” soapy current measurement in the multiphase bridge only delivers when the current in question is energized . Bridge branch a sensible measured value.
  • the supply-side current measuring device manages with a single current measurement, but only delivers a usable estimate if a special control signal vector with the correct projection direction is applied.
  • the evaluation device has a converter which transforms the current profile selected by the switch and the predetermined stator flow pattern into an absolute value profile of the current space vector. This measure enables the electrical rotor position angle to be clearly detected at 360 °.
  • the evaluation device contains a scanner with difference formation, to which the magnitude curve of the current component and the times supplied by the scanning signal generator are supplied and in which the magnitude curve of the differential current space vector is formed.
  • the asymmetry of the saturation, which is dependent on the rotor position, is extracted by the difference measurement.
  • the evaluation device contains a current profile evaluation unit which determines the sought electrical rotor position angle from the amount profile of the differential current space pointer.
  • Fig. 1 is a simplified circuit diagram of a
  • FIG. 2 shows the structure of the control signal generating device shown schematically in FIG. 1;
  • FIG. 3 shows the structure of the converter shown schematically in FIG. 1 with a current measuring device
  • Fig. 4 is a schematic representation of a three-phase synchronous machine
  • Fig. 5 shows the structure of the evaluation device shown schematically in Fig. 1.
  • the circuit arrangement shown in FIG. 1 essentially consists of a control signal generating device 101 for generating input or control signals, as well as a converter 102, the phase currents for a provides permanently excited synchronous machine 103 and measurement signals for a downstream evaluation device 104, the output signals of which represent the sought electrical rotor position angle of synchronous machine 103.
  • the control signals generated by the control signal generation device 101 are made available both to the converter 102 and to the evaluation device 104.
  • the control signal generating device 101 has a clock generator 1, a counter 2, a pattern generator 3 and a scanning signal generator 4.
  • the clock signals a generated by the clock generator 1 are fed to the counter 2, the output signals b of which are passed on both to the pattern generator 3 and to the scanning signal generator 4.
  • the output signal c of the pattern generator 3 specifies a stator flow pattern for the synchronous machine 103, which consists of differential stator flow space pointers arranged in a row
  • the scanning signal generator 4 generates signals which identify positive and negative sampling times tp, tn for the downstream evaluation device 104, which is shown in more detail in FIG. 5 is shown.
  • the stator flux pattern c predetermined by the pattern generator 3 is of a star-shaped structure and specifies the same path for flow establishment and degradation, the zero point being repeated repeatedly, so that the area enclosed by the pattern or the moment impressed into the synchronous machine 103 is minimal is.
  • the stator flow pattern can be run through clockwise and anti-clockwise, by averaging in the subsequent evaluation device 104 occurring delays can be compensated.
  • the stator flux pattern also has a significant influence on the noise generated by magnetostriction in the synchronous machine and can advantageously be designed so that resonance points of the synchronous machine and connected housing parts are not excited. For this purpose, the power density spectrum of the stator flux pattern in the vicinity of the resonance frequencies must be minimized.
  • the converter 102 shown in FIG. 3 contains a flow model 17 which consists of a motor flow observer (low-pass filter) 5, a switch 7, a subtractor 6 and a flow measuring device 8. Furthermore, the converter 102 has a vector pulse width modulator 9, a multi-phase bridge 11, a power supply 10 assigned to the multi-phase bridge 11, current measuring devices 12, 13, 14 and a changeover switch 15.
  • the motor flow observer 5 receives the predetermined stator flow pattern c of the pattern generator 3 and uses it to generate an estimated stator flow pattern d.
  • the flow measuring device 8 derives the measured stator flow pattern f from the measured phase currents k of the current measuring device 13.
  • the measured stator flow pattern f is fed together with the estimated stator flow pattern d to the changeover switch 7, which forwards one of the two signals d, f to the subtractor 6 and thus selects between observing and measuring the stator flow pattern.
  • the result of the subtraction which corresponds to the predetermined stator voltage pattern, is applied to the vector pulse width modulator 9, in which the for the Multi-phase bridge 11 required control signals h are generated.
  • the vector modulation takes on the task of replacing the direction of the current stator voltage space vector in the stator voltage pattern with base vectors that can be represented by the multiphase bridge 11; the pulse width modulation determines how long these base vectors have to be applied in order to approximate the stator voltage pattern.
  • the changeover switch 15 selects a measured current pattern e from the various current measuring devices 12 to 14.
  • the synchronous machine 103 shown in FIG. 4 is fed with the phase currents m of the multiphase bridge 11 and, depending on the mechanical rotor position th, the number of stator teeth n and the number of pole pairs p, develops an overall flow pattern from the vectorial superposition of the stator flow pattern and the position-dependent rotor flux.
  • This overall flow pattern mutually drives the synchronous machine into magnetic saturation, the current requirement in saturation being greater than without saturation. Because the occurrence of saturation depends on the electrical rotor position angle, the electrical rotor position angle can be uniquely determined from the current requirement with a known stator flow pattern.
  • the evaluation device 104 shown in FIG. 5 consists of a converter 18, a scanner " with difference 19 and a current profile evaluation unit 20.
  • the converter 18 generates the measured current flow pattern e and the predetermined stator flow pattern c by transformation Amount curve q of the current space vector.
  • the converter 18 calculates the magnitude curve q of the current space vector from the measured current pattern e either by inverse Clarcke and Park transformation (ICPT) or approximately using the multi-phase bridge 11 by projecting the total current in the direction of the impressed stator flux component.
  • ICPT inverse Clarcke and Park transformation
  • the magnitude curve q is differentiated by the scanner 19 at the times tp and tn, which results in the differential magnitude curve r of the current space vector.
  • the difference between current time areas can also take the place of the differential amount curve r.
  • the current curve evaluation unit 20 finds the position of the larger maximum in the approximately sinusoidally fluctuating differential magnitude curve r, which has two maxima of different heights, which is directly proportional to the electrical rotor position angle thel sought. In addition, it outputs a plausibility signal pl, which assesses the quality of the calculated electrical rotor position angle thel.
  • the location of the maximum can be found on the one hand by simply taking the zeros and extreme values into account, or by including all reference points by cross-correlation with a tabularly stored model amount curve.
  • Zero points ⁇ and extreme values follow in an undisturbed measurement at periodic intervals. This makes use of the plausibility calculation: it generates for strong ones Irregularities in the sequence of an error in the plausibility signal pl, whereupon the measurement is repeated.
  • a possible cause for deviations in the periodic intervals is an unwanted, externally impressed rotor rotation during the measurement.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Control Of Motors That Do Not Use Commutators (AREA)
  • Control Of Ac Motors In General (AREA)

Abstract

The invention relates to a method for the sensorless, electrical measurement of the position of a rotor of a permanently excited synchronous machine which is fed by a converter, by means of measuring signals which are supplied to an evaluation system which determines the electrical position of the rotor according to the angle of the spatial current indicator for an applied stator flux pattern. The evolution of values of the differential spatial current indicator varies in an approximately sinusoidal manner with the double of the value of the electrical rotor position angle sought. The inventive method, which can be used especially for stationary or blocked machines, is characterised in that the evolution of values is formed from two respective successive measurements for an approximately inverse magnetisation, in such a way that the superposition of the applied stator flux and permanently excited rotor flux enables, due to saturation, an evolution of values of the differential spatial current indicator having two different maximum values, from which the electrical rotor position angle sought is directly and clearly differentiated to 360°.

Description

Verfahren und Schaltungsanordnung zur sensorlosen, elektrischen Rotorlagemessung einer permanent erregten SynchronmaschineMethod and circuit arrangement for sensorless, electrical rotor position measurement of a permanently excited synchronous machine
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur sensorlosen, elektrischen Rotorlagemessung einer permanent erregten, über Umrichter gespeisten Synchronmaschine durch Meßsignale, die einer Auswerteeinrichtung zugeführt werden, die aus der Winkelabhängigkeit des Stromraumzeigers bei eingeprägtem Statorflussmuster die elektrische Rotorlage berechnet, wobei der Betragsverlauf des differenziellen Stromraumzeigers näherungsweise sinusförmig mit dem doppelten Wert des gesuchten elektrischen Rotorlagewinkels schwankt, sowie eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens.The invention relates to a method for sensorless, electrical rotor position measurement of a permanently excited synchronous machine, which is fed via converters, by means of measurement signals which are fed to an evaluation device which calculates the electrical rotor position from the angle dependence of the current space vector with an impressed stator flow pattern, the magnitude curve of the differential current space vector being approximately sinusoidal fluctuates twice the value of the sought electrical rotor position angle, and a circuit arrangement for performing the method.
Ein derartiges Verfahren sowie die entsprechende Schaltungsanordnung sind z. B. aus der europäischen Patentschrift EP-B-0 539 401 bekannt. Als nachteilig wird jedoch die Tatsache empfunden, daß das vorbekannte Verfahren für stillstehende Synchronmaschinen sehr aufwendig und ungenau arbeitet. Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren sowie eine Schaltungsanordnung zur geberlosen Erfassung der Rotorlage einer permanent erregten Synchronmaschine durch Auswertung auschließlich elektrischer Größen vorzuschlagen, die insbesondere bei stillstehenden oder festgebremsten Maschinen verwendbar sind.Such a method and the corresponding circuit arrangement are such. B. from the European patent EP-B-0 539 401 known. However, the fact that the known method for stationary synchronous machines is very complex and imprecise is perceived as a disadvantage. It is therefore an object of the present invention to propose a method and a circuit arrangement for the sensorless detection of the rotor position of a permanently excited synchronous machine by evaluating exclusively electrical variables which can be used in particular in the case of stationary or braked machines.
Diese Aufgabe wird verfahrensmäßig dadurch gelöst, daß der Betragsverlauf aus jeweils zwei aufeinander folgenden Messungen bei nahezu entgegengesetzter Magnetisierung gebildet wird, so daß durch Überlagerung von eingeprägtem Statorfluss und permanent erregtem Rotorfluss sättigungsbedingt ein Betragsverlauf des differentiellen Stromraumzeigers mit zwei unterschiedlich hohen Maxima entsteht, aus dem der gesuchte elektrische Rotorlagewinkel direkt und auf 360° eindeutig abgeleitet wird.This task is solved procedurally in that the magnitude curve is formed from two successive measurements with almost opposite magnetization, so that due to the superimposition of the impressed stator flux and the permanently excited rotor flux, an absolute magnitude curve of the differential current space vector with two different maxima arises from which the sought electrical rotor position angle directly and clearly derived to 360 °.
Ein weiteres Merkmal des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß ein sternförmiges, durch den Nullpunkt verlaufendes Statorflussmuster eingeprägt wird, das im zeitlichen Mittel nahezu kein Moment in der Synchronmaschine erzeugt. Durch diese Maßnahme wird erreicht, daß an die Synchronmaschine gekoppelte Vorrichtungen, beispielsweise eine durch die Synchronmaschine betätigbare elektromechanische Fahrzeugbremse, nicht belastet wird.Another feature of the method according to the invention is that a star-shaped stator flow pattern running through the zero point is embossed, which on average over time generates almost no torque in the synchronous machine. This measure ensures that devices coupled to the synchronous machine, for example an electromechanical vehicle brake which can be actuated by the synchronous machine, are not loaded.
In einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden Mittelwerte der Betragsverläufe des differenziellen Stromraumzeigers gebildet, wobei in den einzelnen Messungen das Statorflussmuster links und rechts drehend durchlaufen wird. Dadurch wird erreicht, daß durch ungenaues oder überlappendes Schalten im Umrichter, sowie die Tiefpasswirkung der Synchronmaschine verursachte Verschiebungen des Betragsverlaufs ausgeglichen werden.In an advantageous development of the method according to the invention, average values of the magnitude curves of the differential current space vector are formed, wherein in the individual measurements the stator flow pattern is rotated left and right. This ensures that shifts in the course of the amount caused by imprecise or overlapping switching in the converter and the low-pass effect of the synchronous machine are compensated.
Ein weiteres Merkmal der Erfindung sieht vor, daß bestimmte Frequenzanteile im Leistungsdichtespektrum reduziert werden. Auch wenn die Massenträgheit des Rotors ein Rütteln der Synchronmaschine während der Bestromung vermeidet - der zeitliche Mittelwert des Drehmoments ist Null - so sorgt die Magnetostriktion im Statorblech dennoch für ein hörbares Geräusch. Wieviel davon extern wahrzunehmen ist, hängt wesentlich von den Resonanzfrequenzen des Gehäuses ab. Durch geschickte Bestromung der Synchronmaschine mit einem frequenzoptimierten Flussmuster kann jedoch vermieden werden, die Resonanzfrequenzen anzuregen.Another feature of the invention provides that certain frequency components in the power density spectrum are reduced. Even if the inertia of the rotor prevents the synchronous machine from shaking during energization - the mean value of the torque over time is zero - the magnetostriction in the stator plate nevertheless ensures an audible noise. How much of this can be perceived externally largely depends on the resonance frequencies of the housing. Skillful energization of the synchronous machine with a frequency-optimized flow pattern can, however, be avoided to excite the resonance frequencies.
Eine andere sinnvolle Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, daß die Rotorlage durch Kreuzkorrelation des gemessenen Betragsverlaufs mit einem tabelarisch abgelegten Betragsverlauf bestimmt wird. Wird nur das Maximum im Betragsverlauf zur Auswertung herangezogen, so ist dies ungenau, da nur ein Messwert von vielen verwendet wird. Die Störung nur eines Messwertes könnte das Ergebnis unbrauchbar machen. Die Korrelation mit einem vorgegebenen Verlauf verarbeitet dagegen alle Messwerte und erreicht auf diese Weise eine viel bessere Genauigkeit: und Störfestigkeit. Der gesuchte Drehwinkel entspricht dabei dem Index des Maximalwertes in der Kreuzkorrelierten. Eine besonders einfache Auswertung wird nach einem anderen Erfindungsmerkmal dadurch erreicht, daß die Rotorläge durch Nullstellen und Extremwerte des gemessenen Betragsverlaufs bestimmt wird.Another useful development of the method according to the invention provides that the rotor position is determined by cross-correlating the measured amount curve with a tabularly stored amount curve. If only the maximum in the course of the amount is used for evaluation, this is inaccurate since only one measured value is used by many. The disturbance of only one measured value could render the result unusable. The correlation with a given course, on the other hand, processes all measured values and in this way achieves much better accuracy: and immunity to interference. The angle of rotation sought corresponds to the index of the maximum value in the cross-correlated. According to another feature of the invention, a particularly simple evaluation is achieved in that the rotor position is determined by zeros and extreme values of the measured amount curve.
Eine genaue Auswertung durch rechnerische Transformation von mindestens zwei abgetasteten Phasenströmen in Betragsverlauf und Phasenverlauf wird bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung dadurch erreicht, daß der Betragsverlauf durch inverse Clarcke- und Park- Transformation (ICPT) aus den Phasenströmen berechnet wird. Diese Maßnahme ist insbesondere für Messunsicherheiten kleiner 60° el. Rotorlagewinkel in Verbindung mit einer dreiphasigen Synchronmaschine sinnvoll.In an advantageous further development of the invention, an exact evaluation by means of arithmetic transformation of at least two sampled phase currents in the magnitude curve and phase curve is achieved in that the magnitude curve is calculated from the phase currents by inverse Clarcke and Park transformation (ICPT). This measure is particularly useful for measurement uncertainties of less than 60 ° el. Rotor position angle in connection with a three-phase synchronous machine.
Eine vereinfachte Auswertung, bei der die Betragsverläufe sogar völlig ohne Einsatz von Prozessoren bestimmt werden können, kann dadurch erreicht werden, daß ein Schätzwert des Betragsverlaufs mit Hilfe eines geeigneten Flussmusters aus dem Gesamtstrom des Umrichters ermittelt wird. Der Umrichter transformiert dabei durch Anlegen von speziellen Basisvektoren in den Abtastzeitpunkten seinen Speisestrom in den Schätzwert der Betragskomponente. Die Auflösung bleibt auf 60° el. Rotorlagewinkel bei Einsatz eines dreiphasigen Motors beschränkt.A simplified evaluation, in which the amount curves can even be determined completely without the use of processors, can be achieved in that an estimate of the amount curve is determined from the total current of the converter with the aid of a suitable flow pattern. The converter transforms its supply current into the estimated value of the magnitude component by applying special base vectors at the sampling times. The resolution remains limited to 60 ° el. Rotor position angle when using a three-phase motor.
Eine andere vortei-thafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß an Stelle der zeitlichen Änderung des Stromraumzeigers Differenzen von Stromraumzeigern zu verschiedenen Zeitpunkten des Flussmusters oder Differenzen von Stromzeitflächen für die Ermittlung des Betragsverlaufs verwendet werden. Differenzen von Stromraumzeigern und Differenzen von Stromzeitflächen ermöglichen eine höhere Auflösung des gesuchten elektrischen Rotorlagewinkels als die Auswertung der zeitlichen Änderung des Stromraumzeigers .Another advantageous further development of the invention provides that instead of the temporal change of the current space pointer, differences of current space pointers at different times of the flow pattern or differences of current time areas can be used to determine the course of the amount. Differences of current space pointers and differences of current time areas enable a higher resolution of the sought electrical rotor position angle than the evaluation of the temporal change of the current space pointer.
Um einen Statorfluss mit hoher Auflösung und Dynamik einprägen zu können sieht eine andere Weiterbildung der Erfindung vor, daß ein Muster desIn order to be able to impress a stator flux with high resolution and dynamics, another development of the invention provides that a pattern of the
Statorspannungsraumzeigers durch Vektormodulation und Pulsweitenmodulation (Vektor-PWM) aus mehreren Basisvektoren zusammengesetzt wird. Die Vektormodulation setzt die Statorflussrichtung aus den vom Umrichter darstellbaren Basisvektoren zusammen, wobei die Pulsweitenmodulation die Dauer festlegt, für die diese Basisvektoren anliegen müssen.Stator voltage space vector by vector modulation and pulse width modulation (vector PWM) is composed of several base vectors. The vector modulation assembles the stator flow direction from the base vectors that can be represented by the converter, the pulse width modulation stipulating the duration for which these base vectors must be present.
Eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zur sensorlosen, elektrischen Rotorlagemessung einer permanent erregten Synchronmaschine, mit einer Steuersignalerzeugungseinrichtung, einem Umrichter zum Speisen der Synchronmaschine sowie einer Auswerteeinrichtung zum Auswerten der von der Strommeßeinrichtung erzeugten Meßsignale, zeichnet sich dadurch aus, daß die Steuersignalerzeugungseinrichtung einen Mustergenerator zur Erzeugung eines Flussmusters sowie einen Abtastsignalgenerator enthält, der Steuersignale für die Auswerteeinrichtung bereitstellt, daß der Umrichter ein Flussmodell der Synchronmaschine sowie eine Strommeßeinrichtung enthält, wobei das Flussmodell aus dem Flussmuster ein Spannungsmuster erzeugt, welches in die Synchronmaschine eingeprägt wird und wobei die Strommeßeinrichtung das dabei auftretende Bestromungsmuster ermittelt und die Auswerteeinrichtung aus dem Bestromungsmuster den Betragsverlauf des differenziellen Stromraumzeigers berechnet und daraus den gesuchten elektrischen Rotorlagewinkel auf 360° eindeutig ableitet.A circuit arrangement according to the invention for sensorless, electrical rotor position measurement of a permanently excited synchronous machine, with a control signal generating device, a converter for feeding the synchronous machine and an evaluation device for evaluating the measurement signals generated by the current measuring device, is characterized in that the control signal generating device has a pattern generator for generating a flow pattern and contains a scanning signal generator, which provides control signals for the evaluation device, that the converter contains a flow model of the synchronous machine and a current measuring device, the flow model from the Flow pattern generates a voltage pattern, which is impressed into the synchronous machine and the current measuring device determines the current flow pattern that occurs and the evaluation device calculates the course of the amount of the differential current space pointer from the current flow pattern and from this derives the sought-after electrical rotor position angle to 360 °.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung sieht vor, daß die Steuersignalerzeugungseinrichtung einen Taktgenerator enthält, dessen Taktsignal einem Zähler zugeführt wird, dessen Zählerstand sowohl dem Mustergenerator als auch dem Abtastsignalgenerator zur Verfügung gestellt wird, wobei der Mustergenerator ein Statorflussmuster vorgibt und der Abtastsignalgenerator Zeitpunkte zum Abtasten von Stromverläufen vorgibt, aus denen der gesuchte elektrische Rotorlagewinkel abgeleitet wird. Ein konstanter Zeittakt ermöglicht eine Vereinfachung des bekannten, vorhin erwähnten Verfahrens, nach dem die rotorlageabhängige Induktivität ermittelt werden muß. Dabei verhält sich der Kehrwert der Induktivität proportional zur Stromänderung pro Zeiteinheit. Wird mit konstanten Zeiteinheiten gearbeitet, so vereinfacht sich das Verfahren auf eine Auswertung der Stromänderung. Dabei kann das Statorflussmuster im Gegensatz zum vorhin erwähnten Verfahren offline berechnet werden und ohne Änderung aus einem Speicher wiedergegeben werden. Voraussetzungen hierfür sind der konstante Zeittakt und die stillstehende Synchronmaschine. Das Flussmodell erzeugt dabei vorzugsweise durch einen Motorflussbeobachter oder eine Flussmeßeinrichtung aus dem Flussmuster ein Spannungsmuster, welches einem Vektorpulsweitenmodulator zugeführt wird. Die Synchronmaschine stellt im Modell eine Induktivität dar und baut daher ihr Flussmuster bei angelegtem Spannungsmuster nur verzögert auf. Die Verzögerungszeit hängt auf Grund der variablen Induktivität selbst vom Rotorlagewinkel ab. Dies wird durch eine echte Flussmessung über das auftretende Bestromungsmuster berücksichtigt oder durch einen Tiefpaß mit konstanter Verzögerung vereinfacht modelliert.An advantageous development of the circuit arrangement according to the invention provides that the control signal generating device contains a clock generator, the clock signal of which is fed to a counter, the counter status of which is made available to both the pattern generator and the scanning signal generator, the pattern generator specifying a stator flow pattern and the scanning signal generator timing for sampling Prescribes current profiles from which the sought electrical rotor position angle is derived. A constant time cycle makes it possible to simplify the known method mentioned above, according to which the inductance which is dependent on the rotor position must be determined. The reciprocal of the inductance is proportional to the change in current per unit of time. If constant time units are used, the procedure is simplified to evaluate the change in current. In contrast to the previously mentioned method, the stator flux pattern can be calculated offline and can be reproduced from a memory without change. The prerequisites for this are the constant timing and the stationary synchronous machine. The flow model preferably generates a voltage pattern from the flow pattern by a motor flow observer or a flow measuring device, which voltage pattern is fed to a vector pulse width modulator. The synchronous machine represents an inductance in the model and therefore builds up its flow pattern only with a delay when the voltage pattern is applied. Due to the variable inductance, the delay time itself depends on the rotor position angle. This is taken into account by a real flow measurement via the current flow pattern that occurs, or is simplified by a low-pass filter with a constant delay.
Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht darin, daß der Vektorpulsweitenmodulator Steuersignale für eine Mehrphasenbrücke erzeugt, die das Bestromungsmuster in die Synchronmaschine einprägt, wobei die Phasenströme der Mehrphasenbrücke oder ein Versorgungsstrom der Mehrphasenbrücke oder die „high"- oder „low"-seitig in der Mehrphasenbrücke auftretenden Brückenströme gemessen werden. Die zu messenden Stromverläufe werden dabei mittels eines Umschalters ausgewählt. Während die Phasenströme jederzeit ausgewertet werden können, liefert die „high"- oder „low" -seifige Strommessung in der Mehrphasenbrücke nur bei Bestromung des betreffenden. Brückenzweiges einen sinnvollen Meßwert. Die versorgungsseitige Strommesseinrichtung kommt dagegen mit einer einzelnen Strommessung aus, liefert jedoch nur dann einen verwendbaren Schätzwert, wenn ein spezieller Steuersignalvektor mit der richtigen Projektionsrichtung angelegt wird. Entsprechend einer anderen Weiterbildung weist die Auswerteeinrichtung einen Umformer auf, der den vom Umschalter ausgewählten Stromverlauf sowie das vorgegebene Statorflussmuster in einen Betragsverlauf des Stromraumzeigers transformiert. Durch diese Maßnahme wird eine auf 360° eindeutige Erfassung des elektrischen Rotorlagewinkels ermöglicht.Another feature of the invention is that the vector pulse width modulator generates control signals for a multiphase bridge, which impresses the current pattern in the synchronous machine, the phase currents of the multiphase bridge or a supply current of the multiphase bridge or the “high” or “low” side in the multiphase bridge occurring bridge currents are measured. The current profiles to be measured are selected using a switch. While the phase currents can be evaluated at any time, the "high" or "low" soapy current measurement in the multiphase bridge only delivers when the current in question is energized . Bridge branch a sensible measured value. The supply-side current measuring device, on the other hand, manages with a single current measurement, but only delivers a usable estimate if a special control signal vector with the correct projection direction is applied. According to another development, the evaluation device has a converter which transforms the current profile selected by the switch and the predetermined stator flow pattern into an absolute value profile of the current space vector. This measure enables the electrical rotor position angle to be clearly detected at 360 °.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung enthält die Auswerteeinrichtung einen Abtaster mit Differenzbildung, dem der Betragsverlauf der Stromkomponente sowie die vom Abtastsignalgenerator gelieferten Zeitpunkte zugeführt werden und in dem der Betragsverlauf des differentiellen Stromraumzeigers gebildet wird. Durch die Differenzmessung wird die von der Rotorlage abhängige Asymmetrie der Sättigung extrahiert.According to a further feature of the invention, the evaluation device contains a scanner with difference formation, to which the magnitude curve of the current component and the times supplied by the scanning signal generator are supplied and in which the magnitude curve of the differential current space vector is formed. The asymmetry of the saturation, which is dependent on the rotor position, is extracted by the difference measurement.
Eine Reduzierung der zur Verfügung stehenden Meßdaten wird bei einer weiteren Ausgestaltung' dadurch erreicht, daß die Auswerteeinrichtung eine Stromverlaufsauswerteeinheit enthält, die aus dem Betragsverlauf des differentiellen Stromraumzeigers den gesuchten elektrischen Rotorlagewinkel ermittelt.A reduction in the available measurement data is achieved in a further embodiment in that the evaluation device contains a current profile evaluation unit which determines the sought electrical rotor position angle from the amount profile of the differential current space pointer.
Eine Fehlersicherung des durchgeführten Verfahrens wird schließlich bei einer anderen Weiterbildung der erfindungs-gemäßen Schaltungsanordnung dadurch gewährleistet, daß die Stromverlaufsauswerteeinheit ein Plausibilitätssignal ausgibt, das feststellt, ob die Qualität des Betragsverlaufs des differentiellen Stromraumzeigers für die Berechnung des elektrischen Rotorlagewinkels ausreicht.In another development of the circuit arrangement according to the invention, error protection of the method carried out is finally ensured in that the current curve evaluation unit outputs a plausibility signal which determines whether the quality of the differential curve of the differential Current space pointer is sufficient for the calculation of the electrical rotor position angle.
Die Erfindung wird in der nachfolgenden Beschreibung an einem Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:The invention is explained in more detail in the following description using an exemplary embodiment with reference to the accompanying drawings. The drawing shows:
Fig. 1 ein vereinfachtes Schaltbild einerFig. 1 is a simplified circuit diagram of a
Schaltungs-anordnung, mit der das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden kann;Circuit arrangement with which the method according to the invention can be carried out;
Fig. 2 den Aufbau der in Fig. 1 schematisch dargestellten Steuersignalerzeugungseinrichtung;FIG. 2 shows the structure of the control signal generating device shown schematically in FIG. 1;
Fig. 3 den Aufbau des in Fig. 1 schematisch dargestellten Umrichters mit einer Strommeßeinrichtung;FIG. 3 shows the structure of the converter shown schematically in FIG. 1 with a current measuring device;
Fig. 4 eine schematische Darstellung einer dreiphasigen Synchronmaschine; undFig. 4 is a schematic representation of a three-phase synchronous machine; and
Fig. 5 den Aufbau der in Fig. 1 schematisch dargestellten Auswerteeinrichtung.Fig. 5 shows the structure of the evaluation device shown schematically in Fig. 1.
Die in Fig. 1 dargestellte Schaltungsanordnung besteht im wesentlichen aus einer Steuersignalerzeugungseinrichtung 101 zum Erzeugen von Eingangs- bzw. Steuersignalen, sowie einem Umrichter 102, der Phasenströme für eine permanenterregte Synchronmaschine 103 sowie Meßsignale für eine nachgeschaltete Auswerteeinrichtung 104 bereitstellt, deren Ausgangssignale den gesuchten elektrischen Rotorlagewinkel der Synchronmaschine 103 repräsentieren. Die von der Steuersignalerzeugungseinrichtung 101 generierten Steuersignale werden sowohl dem Umrichter 102 als auch der Auswerteeinrichtung 104 zur Verfügung gestellt .The circuit arrangement shown in FIG. 1 essentially consists of a control signal generating device 101 for generating input or control signals, as well as a converter 102, the phase currents for a provides permanently excited synchronous machine 103 and measurement signals for a downstream evaluation device 104, the output signals of which represent the sought electrical rotor position angle of synchronous machine 103. The control signals generated by the control signal generation device 101 are made available both to the converter 102 and to the evaluation device 104.
Wie insbesondere Fig. 2 zu entnehmen ist, weist die Steuersignalerzeugungseinrichtung 101 einen Taktgenerator 1, einen Zähler 2, einen Mustergenerator 3 sowie einen Abtastsignalgenerator 4 auf. Die vom Taktgenerator 1 generierten TaktSignale a werden dem Zähler 2 zugeführt, dessen Ausgangssignale b sowohl an den Mustergenerator 3 als auch an den Abtastsignalgenerator 4 weitergereicht werden. Während das Ausgangssignal c des Mustergenerators 3 ein Statorflussmuster für die Synchronmaschine 103 vorgibt, das aus aneinander gereihten differentiellen Statorflussraumzeigern besteht, erzeugt der Abtastsignalgenerator 4 Signale, die positive und negative Abtastzeitpunkte tp, tn für die nachgeschaltete Auswerteeinrichtung 104 kennzeichnen, der in Fig. 5 ausführlicher dargestellt ist. Das von dem Mustergenerator 3 vorgegebene Statorflussmuster c ist von sternförmiger Struktur und gibt für Flussauf- und -abbau den gleichen Weg vor, wobei wiederholt der Nullpunkt durchlaufen wird, so daß die von dem Muster eingeschlossene Fläche bzw. das in die Synchronmaschine 103 eingeprägte Moment minimal ist. Das Statorflussmuster kann rechts- und linksdrehend durchlaufen werden, wobei durch Mittelwertbildung in der nachfolgenden Auswerteeinrichtung 104 auftretende LaufZeitverzögerungen ausgeglichen werden. Das Statorflussmuster hat ebenfalls einen bedeutenden Einfluß auf die Geräuschbildung durch Magnetostriktion in der Synchronmaschine und kann vorteilhafterweise so ausgelegt werden, daß Resonanzstellen der Synchronmaschine und verbundener Gehäuseteile nicht angeregt werden. Zu diesem Zweck muss das Leistungsdichtespektrum des Statorflussmusters in der Nähe der Resonanzfrequenzen minimiert werden.As can be seen in particular in FIG. 2, the control signal generating device 101 has a clock generator 1, a counter 2, a pattern generator 3 and a scanning signal generator 4. The clock signals a generated by the clock generator 1 are fed to the counter 2, the output signals b of which are passed on both to the pattern generator 3 and to the scanning signal generator 4. While the output signal c of the pattern generator 3 specifies a stator flow pattern for the synchronous machine 103, which consists of differential stator flow space pointers arranged in a row, the scanning signal generator 4 generates signals which identify positive and negative sampling times tp, tn for the downstream evaluation device 104, which is shown in more detail in FIG. 5 is shown. The stator flux pattern c predetermined by the pattern generator 3 is of a star-shaped structure and specifies the same path for flow establishment and degradation, the zero point being repeated repeatedly, so that the area enclosed by the pattern or the moment impressed into the synchronous machine 103 is minimal is. The stator flow pattern can be run through clockwise and anti-clockwise, by averaging in the subsequent evaluation device 104 occurring delays can be compensated. The stator flux pattern also has a significant influence on the noise generated by magnetostriction in the synchronous machine and can advantageously be designed so that resonance points of the synchronous machine and connected housing parts are not excited. For this purpose, the power density spectrum of the stator flux pattern in the vicinity of the resonance frequencies must be minimized.
Der in Fig. 3 gezeigte Umrichter 102 enthält ein Flussmodell 17, das aus einem Motorflußbeobachter (Tiefpaßfilter) 5, einem Umschalter 7, einem Subtrahierer 6 sowie einer Flussmeßeinrichtung 8 besteht. Weiterhin weist der Umrichter 102 einen Vektorpulsweitenmodulator 9, eine Mehrphasenbrücke 11, eine der Mehrphasenbrücke 11 zugeordnete Stromversorgung 10, Strommeßeinrichtungen 12, 13, 14 und einen Umschalter 15 auf. Der Motorflussbeobachter 5 empfängt das vorgegebene Statorflussmuster c des Mustergenerators 3 und erzeugt daraus ein geschätztes Statorflussmuster d. Die Flussmeßeinrichtung 8 leitet dagegen das gemessene Statorflussmuster f aus den gemessenen Phasenströmen k der Strommeßeinrichtung 13 ab. Das gemessene Statorflussmuster f wird zusammen mit dem geschätzten Statorflussmuster d dem Umschalter 7 zugeführt, der eines der beiden Signale d, f an den Subtrahierer 6 weiterleitet und damit zwischen Beobaehten und Messen des Statorflussmusters auswählt. Das Ergebnis der Subtraktion, das dem vorgegebenen Statorspannungsmuster entspricht, wird an den Vektorpulsweitenmodulator 9 angelegt, in dem die für die Mehrphasenbrücke 11 benötigten Steuersignale h erzeugt werden. Die Vektormodulation übernimmt dabei die Aufgabe, die Richtung des momentanen Statorspannungsraumzeigers im Statorspannungsmuster durch von der Mehrphasenbrücke 11 darstellbare Basisvektoren zu ersetzen; die Pulsweitenmodulation legt dabei fest, wie lange diese Basisvektoren angelegt werden müssen, um das vorgegebene Statorspannungsmuster näherungsweise nachzubilden. Der Umschalter 15 wählt je nach Verfahren ein gemessenes Bestromungsmuster e der verschiedenen Strommeßeinrichtungen 12 bis 14 -aus.The converter 102 shown in FIG. 3 contains a flow model 17 which consists of a motor flow observer (low-pass filter) 5, a switch 7, a subtractor 6 and a flow measuring device 8. Furthermore, the converter 102 has a vector pulse width modulator 9, a multi-phase bridge 11, a power supply 10 assigned to the multi-phase bridge 11, current measuring devices 12, 13, 14 and a changeover switch 15. The motor flow observer 5 receives the predetermined stator flow pattern c of the pattern generator 3 and uses it to generate an estimated stator flow pattern d. The flow measuring device 8, on the other hand, derives the measured stator flow pattern f from the measured phase currents k of the current measuring device 13. The measured stator flow pattern f is fed together with the estimated stator flow pattern d to the changeover switch 7, which forwards one of the two signals d, f to the subtractor 6 and thus selects between observing and measuring the stator flow pattern. The result of the subtraction, which corresponds to the predetermined stator voltage pattern, is applied to the vector pulse width modulator 9, in which the for the Multi-phase bridge 11 required control signals h are generated. The vector modulation takes on the task of replacing the direction of the current stator voltage space vector in the stator voltage pattern with base vectors that can be represented by the multiphase bridge 11; the pulse width modulation determines how long these base vectors have to be applied in order to approximate the stator voltage pattern. Depending on the method, the changeover switch 15 selects a measured current pattern e from the various current measuring devices 12 to 14.
Die in Fig. 4 gezeigte Synchronmaschine 103 wird mit den Phasenströmen m der Mehrphasenbrücke 11 gespeist und entwickelt dabei in Abhängigkeit von der mechanischen Rotorlage th , der Statorzahnzahl n und der Polpaarzahl p ein Gesamtflussmuster aus der vektoriellen Überlagerung von Statorflussmuster und lageabhängigem Rotorfluss. Dieses Gesamtflussmuster treibt die Synchronmaschine wechselseitig in magnetische Sättigung, wobei der Strombedarf in Sättigung größer ist als ohne Sättigung. Weil das Auftreten der Sättigung vom elektrischen Rotorlagewinkel abhängig ist, kann aus dem Strombedarf bei bekanntem Statorflussmuster der elektrische Rotorlagewinkel eindeutig bestimmt werden.The synchronous machine 103 shown in FIG. 4 is fed with the phase currents m of the multiphase bridge 11 and, depending on the mechanical rotor position th, the number of stator teeth n and the number of pole pairs p, develops an overall flow pattern from the vectorial superposition of the stator flow pattern and the position-dependent rotor flux. This overall flow pattern mutually drives the synchronous machine into magnetic saturation, the current requirement in saturation being greater than without saturation. Because the occurrence of saturation depends on the electrical rotor position angle, the electrical rotor position angle can be uniquely determined from the current requirement with a known stator flow pattern.
Die in Fig. 5 dargestellte Auswerteeinrichtung 104 besteht aus einem Umformer 18, einem Abtaster" mit Differenzbildung 19 und einer Stromverlaufsauswerteeinheit 20. Der Umformer 18 generiert aus dem gemessenen Bestromungsmuster e und dem vorgegebenen Statorflussmuster c durch Transformation den Betragsverlauf q des Stromraumzeigers. Der Umformer 18 berechnet den Betragsverlauf q des Stromraumzeigers aus dem gemessenen Bestromungsmuster e entweder durch inverse Clarcke- und Park-Transformation (ICPT) oder näherungsweise mit Hilfe der Mehrphasenbrücke 11 durch Projektion des Gesamtstroms in Richtung der eingeprägten Statorflusskomponente. Der Betragsverlauf q wird vom Abtaster 19 zu den Zeitpunkten tp und tn differenziert, wodurch der differentielle Betragsverlauf r des Stromraumzeigers entsteht. An Stelle des diferentiellen Betragsver-laufs r kann auch die Differenz von Stromzeitflächen treten. Hierbei müssen zunächst bestimmte Zeitintegrale im Zeitraum tp bis tn und tn bis tp+1 über den Betragsverlauf des Stromraumzeigers gebildet werden. Bei einer stillstehenden Synchronmaschine wird hierbei keine Gegen-EMK aufintegriert, da dieser Anteil definitionsgemäß Null ist. Die Stromverlaufsauswerteeinheit 20 findet im näherungsweise sinusförmig schwankenden differentiellen Betragsverlauf r, der zwei Maxima unterschiedlicher Höhe aufweist, die Lage des größeren Maximums, die dem gesuchten elektrischen Rotorlagewinkel thel direkt proportional ist. Außerdem gibt sie ein Plausibilitätssignal pl aus, das die Qualität des berechneten elektrischen Rotorlagewinkels thel beurteilt. Die Lage des Maximums kann zum einen durch bloße Berücksichtigung der Nullstellen und Extremwerte gefunden werden, oder durch Einbeziehen sämtlicher Stützstellen durch Kreuzkorrelation mit einem tabelarisch abgelegten Modellbetragsverlauf gewonnen werden. Nullstellen~und Extremwerte folgen in einer ungestörten Messung in periodischen Abständen. Dies macht sich die Plausibilitätsrechnung zu Nutzen: Sie generiert bei starken Unregelmäßigkeiten in der Abfolge einen Fehler im Plausibilitätssignal pl, woraufhin die Messung wiederholt wird. Eine mögliche Ursache für Abweichungen in den periodischen Abständen ist eine ungewollte, von aussen eingeprägte Rotordrehung während der Messung. The evaluation device 104 shown in FIG. 5 consists of a converter 18, a scanner " with difference 19 and a current profile evaluation unit 20. The converter 18 generates the measured current flow pattern e and the predetermined stator flow pattern c by transformation Amount curve q of the current space vector. The converter 18 calculates the magnitude curve q of the current space vector from the measured current pattern e either by inverse Clarcke and Park transformation (ICPT) or approximately using the multi-phase bridge 11 by projecting the total current in the direction of the impressed stator flux component. The magnitude curve q is differentiated by the scanner 19 at the times tp and tn, which results in the differential magnitude curve r of the current space vector. The difference between current time areas can also take the place of the differential amount curve r. Here, certain time integrals must first be formed in the period tp to tn and tn to tp + 1 over the amount of the current space vector. In the case of a stationary synchronous machine, no back emf is integrated, since this portion is by definition zero. The current curve evaluation unit 20 finds the position of the larger maximum in the approximately sinusoidally fluctuating differential magnitude curve r, which has two maxima of different heights, which is directly proportional to the electrical rotor position angle thel sought. In addition, it outputs a plausibility signal pl, which assesses the quality of the calculated electrical rotor position angle thel. The location of the maximum can be found on the one hand by simply taking the zeros and extreme values into account, or by including all reference points by cross-correlation with a tabularly stored model amount curve. Zero points ~ and extreme values follow in an undisturbed measurement at periodic intervals. This makes use of the plausibility calculation: it generates for strong ones Irregularities in the sequence of an error in the plausibility signal pl, whereupon the measurement is repeated. A possible cause for deviations in the periodic intervals is an unwanted, externally impressed rotor rotation during the measurement.

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zur sensorlosen, elektrischen Rotorlagemessung einer permanent erregten, über Umrichter gespeisten Synchronmaschine durch Meßsignale, die einer Auswerteeinrichtung zugeführt werden, die aus der Winkelabhängigkeit des Stromraumzeigers bei eingeprägtem Statorflussmuster die elektrische Rotorlage berechnet, wobei der Betragsverlauf des differenziellen Stromraumzeigers näherungsweise sinusförmig mit dem doppelten Wert des gesuchten elektrischen Rotorlagewinkels schwankt, dadurch gekennzeichnet, daß der Betragsverlauf aus jeweils zwei aufeinander folgenden Messungen bei nahezu entgegengesetzter Magnetisierung gebildet wird, so daß durch Überlagerung von eingeprägtem Statorfluss und permanent erregtem Rotorfluss sättigungsbedingt ein Betragsverlauf des differentiellen Stromraumzeigers mit zwei unterschiedlich hohen Maxima entsteht, aus dem der gesuchte elektrische Rotorlagewinkel direkt und auf 360° eindeutig abgeleitet wird.1.Procedure for sensorless, electrical rotor position measurement of a permanently excited synchronous machine fed via converters by means of measurement signals which are fed to an evaluation device which calculates the electrical rotor position from the angular dependence of the current space vector with an impressed stator flow pattern, the magnitude curve of the differential current space vector being approximately sinusoidal with double The value of the electrical rotor position angle sought fluctuates, characterized in that the magnitude curve is formed from two successive measurements in each case with almost opposite magnetization, so that the superimposed stator flux and the permanently excited rotor flux produce a magnitude gradient of the differential current space vector with two different maxima due to saturation. from which the desired electrical rotor position angle is derived directly and clearly to 360 °.
2. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß ein sternförmiges Statorflussmuster eingeprägt wird, das im zeitlichen Mittel nahezu kein Moment in der Synchronmaschine erzeugt.2. The method according to claim 1, characterized in that a star-shaped stator flow pattern is impressed, which generates almost no torque in the synchronous machine on average over time.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, daß Mittelwerte der Betragsverläu e des differenziellen Stromraumzeigers gebildet werden, wobei in den einzelnen Messungen das Statorflussmuster links und rechts drehend durchlaufen wird.3. The method according to any one of claims 1 or 2, characterized in that mean values of the absolute value of the differential current space vector are formed, wherein in the individual measurements, the stator flow pattern is run through rotating left and right.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, daß bestimmte Frequenzanteile im Leistungsdichtespektrum des Statorflussmusters reduziert werden.4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that certain frequency components in the power density spectrum of the stator flux pattern are reduced.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, daß die Rotorlage durch Kreuzkorrelation des gemessenen Betragsverlaufs mit einem tabelarisch abgelegten Betragsverlauf bestimmt wird.5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the rotor position is determined by cross-correlation of the measured amount curve with a tabularly stored amount curve.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, daß die Rotorlage durch Nullstellen und Extremwerte des gemessenen Betragsverlaufs bestimmt wird.6. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the rotor position is determined by zeros and extreme values of the measured amount curve.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, daß der Betragsverlauf durch inverse Clarcke- und Park-Transformation (ICPT) aus den Phasenströmen berechnet wird.7. The method according to any one of claims 1 to 6, characterized in that the amount curve by inverse Clarcke and Park transformation (ICPT) is calculated from the phase currents.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, daß ein Schätzwert des Betragsverlaufs mit Hilfe eines geeigneten Flussmusters aus dem Gesamtström des Umrichters ermittelt wird. 8. The method according to any one of claims 1 to 7, characterized in that an estimated value of the amount curve is determined with the aid of a suitable flow pattern from the total current of the converter.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, daß anstelle der zeitlichen Änderung des Stromraumzeigers Differenzen von Stromraumzeigern zu verschiedenen Zeitpunkten des Flussmusters oder Differenzen von Stromzeitflächen für die Ermittlung des Betragsverlaufs verwendet werden.9. The method according to any one of claims 1 to 8, characterized in that instead of the temporal change of the current space pointer, differences of current space pointers at different times of the flow pattern or differences of current time areas are used for determining the course of the amount.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 dadurch gekennzeichnet, daß ein Muster^ des10. The method according to any one of claims 1 to 9, characterized in that a pattern ^ of
Statorspannungsraumzeigers durch Vektormodulation und Pulsweltenmodulation aus mehreren Basisvektoren zusammengesetzt wird.Stator voltage space vector is composed of several base vectors by vector modulation and pulse world modulation.
11. Schaltungsanordnung zur sensorlosen, elektrischen Rotorlagemessung einer permanent erregten Synchronmaschine (103), mit einer Steuersignalerzeugungseinrichtung (101), einem Umrichter (102) zum Speisen der Synchronmaschine (103) sowie einer Auswerteeinrichtung .(104) zum Auswerten der von einer Strommeßeinrichtung (12 - 14) erzeugten Meßsignale, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuersignalerzeugungseinrichtung (101) einen Mustergenerator (3) zur Erzeugung eines Statorflussmusters (c) sowie einen11. Circuit arrangement for sensorless, electrical rotor position measurement of a permanently excited synchronous machine (103), with a control signal generating device (101), a converter (102) for feeding the synchronous machine (103) and an evaluation device. (104) for evaluating the current measurement device (12 - 14) generated measurement signals, characterized in that the control signal generating device (101) has a pattern generator (3) for generating a stator flow pattern (c) and a
Abtastsignalgenerator (4) enthält, der Steuersignale für die Auswerteeinrichtung (104) bereitstellt, daß der Umrichter (102) ein Flussmodell (17) der Synchronmaschine (103) sowie die_§trommeßeinrichtung (12,13,14) enthält, die das dabei auftretende Bestromungsmuster ermittelt und daß die Auswerteeinrichtung (104) aus dem Bestromungsmuster den Betragsverlauf (r) des differenziellen Stromraumzeigers berechnet und daraus den gesuchten elektrischen Rotorlagewinkel (thel) auf 360° eindeutig ableitet.Contains scanning signal generator (4), which provides control signals for the evaluation device (104), that the converter (102) contains a flow model (17) of the synchronous machine (103) and the current measuring device (12, 13, 14) which contains the current pattern that occurs determined and that the evaluation device (104) from the energization pattern The amount curve (r) of the differential current space vector is calculated and the electrical rotor position angle (thel) to 360 ° is clearly derived from this.
12. Schaltungsanordnung nach Anspruch 11 dadurch gekennzeichnet, daß die12. Circuit arrangement according to claim 11, characterized in that the
Steuersignalerzeugungseinrichtung (101) einen Taktgenerator (1) enthält, dessen Taktsignal (a) einem Zähler (2) zugeführt wird, dessen Zählerstand (b) sowohl dem Mustergenerator (3) als auch dem Abtastsignalgenerator (4) zur Verfügung gestellt wird, wobei der Mustergenerator (3) ein Statorflussmuster (c) vorgibt und der Abtastsignalgenerator (4) Zeitpunkte (tp, tn) zum Abtasten von Stromverläufen vorgibt, aus denen der gesuchte elektrische Rotorlagewinkel (thel) abgeleitet wird.Control signal generating device (101) contains a clock generator (1), the clock signal (a) of which is fed to a counter (2), the counter reading (b) of which is provided both to the pattern generator (3) and to the scanning signal generator (4), the pattern generator (3) specifies a stator flux pattern (c) and the scanning signal generator (4) specifies times (tp, tn) for scanning current profiles, from which the sought electrical rotor position angle (thel) is derived.
13. Schaltungsanordnung nach Anspruch 11 oder 12 dadurch gekennzeichnet, daß das Flussmodell (17) aus dem Statorflussmuster (c) durch einen Motorflussbeobachter (5) oder eine Flussmeßeinrichtung (8) ein Spannungsmuster (g) erzeugt, welches einem Vektorpulsweitenmodulator (9) zugeführt wird.13. Circuit arrangement according to claim 11 or 12, characterized in that the flow model (17) from the stator flow pattern (c) by a motor flow observer (5) or a flow measuring device (8) generates a voltage pattern (g) which is fed to a vector pulse width modulator (9) ,
14. Schaltungsanordnung nach Anspruch 13 dadurch gekennzeichnet, daß der Vektorpulsweitenmodulator (9) Steuersignale (h) für eine Mehrphasenbrücke (11) erzeugt/ die das Bestromungsmuster (m) in die Synchronmaschine (103) einprägt, wobei die Phasenströme (k) der' Mehrphasenbrücke (11) oder ein Versorgungsstrom (j) der Mehrphasenbrücke (11) oder die „high"- oder „low"-seitig in der Mehrphasenbrücke (11) auftretenden Brückenströme (1) gemessen werden.14. Circuit arrangement according to claim 13, characterized in that the vector pulse width modulator (9) generates control signals (h) for a multi-phase bridge (11) / which impresses the energization pattern (m) in the synchronous machine (103), the phase currents (k) of the ' multi-phase bridge (11) or a supply current (j) of the multiphase bridge (11) or the "high" - or Bridge currents (1) occurring on the “low” side in the multiphase bridge (11) are measured.
15. Schaltungsanordnung nach Anspruch 14 dadurch gekennzeichnet, daß die zu messenden Stromverläufe mittels eines Umschalters (15) ausgewählt werden.15. Circuit arrangement according to claim 14, characterized in that the current profiles to be measured are selected by means of a switch (15).
16. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 11 bis 15 dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinrichtung16. Circuit arrangement according to one of claims 11 to 15, characterized in that the evaluation device
(104) einen Umformer (18) aufweist, der das vom Umschalter (15) ausgewählte, gemessene Bestromungsmuster (e) mit Hilfe des vorgegebenen Statorflussmusters (c) in den Betragsverlauf (q) des Stromraumzeigers transformiert.(104) has a converter (18) which transforms the measured current flow pattern (e) selected by the changeover switch (15) with the aid of the predetermined stator flow pattern (c) into the amount curve (q) of the current space vector.
17. Schaltungsanordnung nach Anspruch 16 dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinrichtung (104) einen Abtaster (19) mit Differenzbildung enthält, dem der Betragsverlauf (q) des Stromraumzeigers sowie die vom Abtastsignalgenerator (4) gelieferten Zeitpunkte (tp, tn) zugeführt werden und in dem der Betragsverlauf (r) des differentiellen Stromraumzeigers gebildet wird.17. Circuit arrangement according to claim 16, characterized in that the evaluation device (104) contains a scanner (19) with difference formation, to which the amount curve (q) of the current space vector and the times (tp, tn) supplied by the scanning signal generator (4) are supplied and in which the amount curve (r) of the differential current space vector is formed.
18. Schaltungsanordnung nach Anspruch 17 dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinrichtung (104) eine Stromverlaufsauswerteeinheit (20) enthält, die aus dem Betragsverlauf (r) des differentiellen Stromraumzeigers den gesuchten elektrischen Rotorlagewinkel (thel) ermittelt. 18. Circuit arrangement according to claim 17, characterized in that the evaluation device (104) contains a current profile evaluation unit (20) which determines the sought electrical rotor position angle (thel) from the amount profile (r) of the differential current space vector.
9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 18 dadurch gekennzeichnet, daß die Stromverlaufsauswerteeinheit (20) ein Plausibilitätssignal (pl) ausgibt, das feststellt, ob die Qualität des Betragsverlaufs des differentiellen Stromraumzeigers für die Berechnung des elektrischen Rotorlagewinkels ausreicht. 9. Circuit arrangement according to claim 18, characterized in that the current profile evaluation unit (20) outputs a plausibility signal (pl) which determines whether the quality of the amount profile of the differential current space vector is sufficient for the calculation of the electrical rotor position angle.
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