EP4609211A1 - Messung und auswertung von magnetflüssen eines permanenterregten synchronmotors - Google Patents

Messung und auswertung von magnetflüssen eines permanenterregten synchronmotors

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Publication number
EP4609211A1
EP4609211A1 EP23797691.5A EP23797691A EP4609211A1 EP 4609211 A1 EP4609211 A1 EP 4609211A1 EP 23797691 A EP23797691 A EP 23797691A EP 4609211 A1 EP4609211 A1 EP 4609211A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
component
motor
voltage
measurement
synchronous motor
Prior art date
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Pending
Application number
EP23797691.5A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Stefan KÜNZEL
Norbert Wieser
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.)
Siemens AG
Siemens Corp
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
Priority date (The priority date 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 date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG, Siemens Corp filed Critical Siemens AG
Publication of EP4609211A1 publication Critical patent/EP4609211A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/34—Testing dynamo-electric machines
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/02—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
    • 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

Definitions

  • the invention relates to a method for measuring magnetic fluxes of a permanent magnet synchronous motor, the motor voltages of which are generated by a power converter, as a function of motor currents of the synchronous motor. Furthermore, the invention relates to a measuring and evaluation system for measuring and evaluating magnetic fluxes of such a synchronous motor.
  • Magnetic fluxes as a function of the motor current have proven to be a very favorable description, in particular the d-component of the magnetic flux and the q-component of the magnetic flux as a function of the d-component and the q-component of the motor current in a rotor-fixed d/q coordinate system.
  • the d-component of a variable such as a motor current, a magnetic flux or a motor voltage is often referred to as the d-component of the variable in the d/q coordinate system or as the component of the variable in the d-direction of the d/q coordinate system.
  • differential inductances in the d-direction and in the q-direction have been measured as part of motor data identification.
  • the measurement is carried out with a current offset and a superimposed sinusoidal measuring current.
  • the measurement in the d-direction can be carried out when the rotor of the synchronous motor is at a standstill, but the measurement in the q-direction leads to a strong movement and acceleration of the rotor of the Motors . In some cases, the measurement cannot be completed due to the movement, as otherwise the maximum speed of the motor would be exceeded .
  • the magnetic flux can be calculated by integrating the inductance, but then the flux is obtained as a function of only one variable . Such a measurement with two variable variables takes a relatively long time .
  • US 2017/0179859 A1 discloses a method for diagnosing the condition of the permanent magnets of a permanent magnet excited motor. For example, a q-axis current, a d-axis current, a q-axis voltage and/or a d-axis voltage of the motor are determined based on sensed current and voltage information of the motor. This information is used to determine flux information on magnetic fluxes of the motor. The flux information is used to evaluate condition conditions of the permanent magnets of the motor. The evaluations can be used to identify deterioration or damage to permanent magnets that may occur as a result of elevated temperatures, physical or chemical deterioration.
  • US 2022/196741 Al discloses a method and system for determining electrical characteristics of an electric motor.
  • the system includes a signal modulation circuit, a signal demodulation circuit, and a resistance and inductance estimation circuit.
  • the signal modulation circuit is configured to control an AC reference voltage based on a requested maximum AC current and an estimated maximum AC current, and to control a DC reference voltage based on a requested DC current and an estimated DC current.
  • the signal demodulation circuit is configured to generate the estimated maximum AC current and the estimated DC current for the signal modulation circuit.
  • the resistance and inductance estimation circuit is configured gured to determine an inductance of the electrical load based on the estimated maximum alternating current and a phase shift .
  • the invention is based on the object of specifying an improved method for measuring magnetic fluxes of a permanently excited synchronous motor, whose motor voltages are generated by a power converter, as a function of motor currents of the synchronous motor. Furthermore, the invention is based on the object of specifying an improved measuring and evaluation system for measuring and evaluating magnetic fluxes of a permanently excited synchronous motor.
  • the object is achieved according to the invention by a method having the features of claim 1 and a measuring and evaluation system having the features of claim 15.
  • a motor voltage is generated as a voltage pulse with initially vanishing motor current
  • a d-component of the magnetic flux is determined from a d-component of the motor voltage by integration over the pulse duration of the voltage pulse
  • a q-component of the magnetic flux is determined from a q-component of the motor voltage by integration over the pulse duration of the voltage pulse and
  • a large number of individual measurements are carried out in each of which, with the motor current initially disappearing, a d-component and a q-component of the magnetic flux are determined and a d-component and a q-component of the motor current are measured.
  • the d-component and the q-component of the magnetic flux are each determined by integrating the corresponding component of the motor voltage over the pulse duration of the voltage pulse with which the motor voltage is generated in the individual measurement.
  • the d-component and the q-component of the magnetic flux can each be determined as a function of the d-component and the q-component of the motor current.
  • the individual measurements can be carried out when the rotor of the synchronous motor is at a quasi-standstill, so that the above-mentioned problems resulting from a strong movement of the rotor can be avoided.
  • the d-component of the motor voltage is the difference between a d-component of a measured output voltage of the power converter and an ohmic component of a voltage drop at a stator winding of the synchronous motor
  • the q-component of the motor voltage is the difference between a q-component of the measured output voltage of the power converter and the ohmic component of the voltage drop at the stator winding of the synchronous motor.
  • the aforementioned embodiment of the invention therefore uses measured values for the motor-side output voltage of the power converter, which is applied to terminals of the synchronous motor, and takes into account the ohmic component of a voltage drop at the stator winding of the synchronous motor.
  • the d-component of the motor voltage by the integration of which the d-component of the magnetic flux is determined, is the difference between a setpoint value for a d-component of an output voltage of the power converter and an ohmic component of a voltage drop at a stator winding of the synchronous motor and a modeled voltage mapping error for the d-component of the output voltage of the power converter
  • the q-component of the motor voltage by the integration of which the q-component of the magnetic flux is determined, is the difference between a setpoint value for a q-component of the output voltage of the power converter and the ohmic component of the voltage drop at the stator winding of the synchronous motor and a modeled voltage mapping error for the q-component of the output voltage of the power converter.
  • the voltage mapping error for a portion of the output voltage of the power converter is the difference between the setpoint value for this portion of the output voltage of the power converter and the actual
  • the above-mentioned embodiment of the invention therefore uses setpoint values instead of measured values for the output voltage of the power converter to determine the magnetic fluxes. Due to the unknown voltage mapping errors, it is therefore somewhat less accurate than the determination of the magnetic fluxes based on measured values for the output voltages of the power converter, but has the advantage that the output voltages of the power converter do not have to be measured.
  • the ohmic voltage drop at the stator winding of the syn- chronmotors are calculated from an ohmic resistance of the stator winding and the motor current.
  • the measured value for the d-component of the motor current recorded during an individual measurement is a value for which an amount of the d-component of the motor current is maximum
  • the measured value for the q-component of the motor current recorded during an individual measurement is a value for which an amount of the q-component of the motor current is maximum.
  • measurement sequences of four consecutive individual measurements are carried out, with each measurement sequence
  • a q-component of the motor voltage is generated with the same sign as in the first individual measurement.
  • the aforementioned embodiment of the invention aims at keeping movements and changes in position of the rotor of the synchronous motor as small as possible during measurements. This is achieved on the one hand by inverting the sign of the q-component of the motor voltage in the second individual measurement of a measurement sequence compared to the first individual measurement in order to stop the movement of the rotor caused by the first individual measurement. During the third individual measurement of the measurement sequence, the rotor is then moved in the opposite direction to the first individual measurement in order to reverse the change in position of the rotor caused by the first individual measurement.
  • the sign of the q-component of the motor voltage is inverted in comparison to the third individual measurement in order to stop the movement of the rotor caused by the third individual measurement.
  • the motor is therefore at least approximately in the same state as before the measurement sequence.
  • an average value of the d-components of the magnetic flux determined in the individual measurements and an average value of the measured values for the d-component of the motor current recorded in the individual measurements are formed.
  • an average value of the q-components of the magnetic flux determined in the first individual measurement and the fourth individual measurement and an average value of the measured values for the q-component of the motor current recorded in the first individual measurement and the fourth individual measurement are formed.
  • an average value of the q-components of the magnetic flux determined in the second individual measurement and the third individual measurement and an average value of the measured values for the q-component of the motor current recorded in the second individual measurement and the third individual measurement are formed.
  • the three aforementioned embodiments of the invention combine the individual measurements of a measurement sequence by averaging the values of corresponding portions of the magnetic flux and the motor current determined in the individual measurements. This compensates for differences between individual measurements and measurement inaccuracies caused by movements and changes in the position of the rotor.
  • each measuring sequence is carried out when the movement of the rotor initially disappears, more precisely when the relative movement of the rotor and the stator of the synchronous motor initially disappears. For example, after each measuring sequence, a relative movement of the rotor and the stator is stopped by a voltage pulse that counteracts the relative movement.
  • the above-mentioned embodiment of the invention also aims to carry out the measurements with as little movement of the rotor as possible.
  • value pairs are specified, each consisting of a target value for the d-component and a target value for the q-component of the motor current, and a measurement sequence is carried out for each value pair, the measured values for the d-component and for the q-component of the motor current matching the corresponding target values of the value pair with a predetermined minimum accuracy. For example, to carry out a measurement sequence corresponding to a value pair, an iteration over several measurement sequences is carried out.
  • the above-mentioned embodiment of the invention aims to distribute measured values for the d-component and for the q-component of the motor current over a measuring range in a manner specified by value pairs in order to cover the measuring range as completely as possible. For example, value pairs are selected that evenly rasterize the measuring range. In order to hit a measuring point characterized by a value pair, For example, an iteration is carried out over several measurement sequences until the measured values for the d-component and for the q-component of the motor current agree with the target values of the value pair with the required minimum accuracy.
  • the d-component of the magnetic flux and the q-component of the magnetic flux are each approximated by a parameterized function of the d-component and the q-component of the motor current, and the parameters of these functions are determined from the d-components and q-components of the magnetic flux determined during the measurements and the associated d-components and q-components of the motor current.
  • MTPA Maximum Torque Per Ampere
  • a measuring and evaluation system for measuring and evaluating magnetic fluxes of a permanent magnet synchronous motor, whose motor voltages are generated by a power converter, comprises
  • a measuring unit which is designed to measure magnetic fluxes of the synchronous motor as a function of motor currents of the synchronous motor according to the method according to the invention
  • an evaluation unit which is set up to calculate inductances of the synchronous motor and/or a torque of the synchronous motor and/or a torque-current ratio and/or a reluctance torque constant of the synchronous motor as a function of the motor currents of the synchronous motor from the measurement results of the measuring unit.
  • the measuring and evaluation system takes advantage of the fact that the inventive measurement of magnetic fluxes as a function of motor currents of the synchronous motor makes it possible to determine various operationally relevant parameters of the synchronous motor such as Inductances, a torque, a torque-current ratio and a reluctance torque constant depending on the motor currents of the synchronous motor. Specific formulas for calculating these parameters are given below in the figure description.
  • FIG 1 Time courses of various quantities of a permanent magnet synchronous motor when measuring magnetic fluxes as a function of motor currents
  • FIG 2 an inductance as a function of motor currents of a permanent magnet synchronous motor
  • FIG 3 shows a characteristic curve of a permanent magnet synchronous motor calculated using measurements carried out according to the method according to the invention and a characteristic curve measured when the rotor of the synchronous motor is rotating
  • FIG 4 shows a calculated optimum load angle depending on a torque of a permanent magnet synchronous motor
  • FIG 5 calculated optimal d and q components as well as the calculated optimal amount of motor current depending on the torque of a permanent magnet synchronous motor
  • FIG 6 is a block diagram of an embodiment of a measuring and evaluation system for measuring and evaluating magnetic fluxes as a function of motor currents of a permanent magnet synchronous motor. Corresponding parts in the figures are provided with the same reference symbols.
  • FIG. 1 illustrates an embodiment of the method according to the invention for measuring magnetic fluxes of a permanent magnet synchronous motor as a function of motor currents of the synchronous motor using curves of various variables i d , i q , U d , U q , n and a of the synchronous motor as a function of a time t .
  • i d denotes a d-component of a motor current
  • i q a q-component of the motor current U d a d-component of a motor voltage
  • U q a q-component of the motor voltage n a speed and a a rotor position angle of the synchronous motor.
  • the motor voltages are generated by a power converter, for example pulse duration modulated by PDM signals from the power converter.
  • the d-component U d of the motor voltage is the difference between a d-component of a measured output voltage of the power converter and an ohmic component of a voltage drop at a stator winding of the synchronous motor
  • the q-component U q of the motor voltage is the difference between a q-component of the measured output voltage of the power converter and the ohmic component of the voltage drop at the stator winding of the synchronous motor.
  • the d-component U d of the motor voltage is the difference between a setpoint for the d-component of the output voltage of the power converter and the ohmic component of the voltage drop across the stator winding of the synchronous motor and a modeled voltage mapping error for the d-component of the output voltage of the power converter
  • the q-component U q of the motor voltage is the difference between a setpoint for the q-component of the output voltage of the power converter and the ohmic component of the voltage drop across the stator winding of the synchronous motor and a modeled voltage mapping error for the q-component of the output voltage of the power converter.
  • the ohmic component of the voltage drop across the stator winding of the synchronous motor is calculated from an ohmic resistance of the stator winding and the motor current.
  • measurement sequences S of four consecutive individual measurements El to E4 are carried out.
  • a motor voltage is generated as a voltage pulse with an initially vanishing motor current.
  • a d-component of the magnetic flux is determined from the d-component Ud of the motor voltage by integrating over the pulse duration of the voltage pulse.
  • a q-component of the magnetic flux is determined from the q-component U q of the motor voltage by integrating over the pulse duration of the voltage pulse.
  • a measured value for the d-component id and a measured value for the q-component i q of the motor current are recorded.
  • the measured value for the d-component id of the motor current is a value for which an amount of the d-component id of the motor current is maximum
  • the measured value for the q-component i q of the motor current is a value for which an amount of the q-component i q of the motor current is maximum.
  • each measurement sequence S in the individual measurements El to E4, at least approximately the same d-component Ud of the motor voltage and at least approximately the same amount of the q-component U q of the motor voltage are generated.
  • the sign of the q-component U q of the motor voltage is inverted compared to the first individual measurement El.
  • a q-component U q of the motor voltage is generated with the same sign as in the first individual measurement El.
  • an average value of the d-components of the magnetic flux determined in the individual measurements and an average value of the measured values for the d-component id of the motor current recorded in the individual measurements El to E4 are calculated. Furthermore, for each measurement sequence S, an average value of the q-components of the magnetic flux determined in the first individual measurement El and the fourth individual measurement E4 and an average value of the measured values recorded in the first individual measurement El and the fourth individual measurement E4 are formed for the q-component i q of the motor current.
  • an average value of the q-components of the magnetic flux determined in the second individual measurement E2 and the third individual measurement E3 and an average value of the measured values recorded in the second individual measurement E2 and the third individual measurement E3 for the q-component i q of the motor current are formed.
  • Each measurement sequence S is carried out with the relative movement of a rotor and a stator of the synchronous motor initially vanishing. For this purpose, after each measurement sequence S, a relative movement of the rotor and the stator is stopped by a voltage stop pulse H which counteracts the relative movement and has only a d-component.
  • value pairs are specified for the measurements, each consisting of a target value i ds for the d-component i d and a target value i qs for the q-component i q of the motor current.
  • a measurement sequence S is carried out, the measured values for the d-component and for the q-component of the motor current agree with the corresponding target values i ds and i qs of the value pair with a specified minimum accuracy.
  • the value pairs are specified, for example, in such a way that they evenly rasterize areas for the d-component i d and the q-component i q of the motor current.
  • a measurement sequence S corresponding to a pair of values ( i ds , i qs ) for example, an iteration of several measurement sequences S is carried out, with motor voltages U d and U q being corrected separately in order to achieve the target values i ds and i qs with the required minimum accuracy.
  • motor voltages U d and U q can be estimated or calculated for the first step of the iteration using a parameterized motor inductance. These specifications can then be corrected using the actual measured values for i d and i q and the measurement repeated. until the target values i ds and i qs are reached with the required minimum accuracy. If several measurements have already been carried out, the differential inductances of measurements near the respective measuring point can be used to speed up the convergence of the iteration.
  • Figure 1 shows an example of an increase in the target values i ds and i q s at times ti and t 2 . After each of these times, two measurement sequences S are carried out and the target values ids and iqs are each achieved in the second measurement sequence S with the required minimum accuracy.
  • target values i ds and i qs are not necessarily changed at the same time. For example, one starts with small target values i ds and iqs and then gradually increases the target value i qs according to a specified grid until the desired range for i q is covered. One then changes the target value i ds and again runs through the grid of target values i qs for the changed target value. For the d-component id, target values i ds must always be specified for both signs of the current.
  • a permanent magnet synchronous motor is not point- or axis-symmetrical with respect to i d .
  • q-components i q with different signs occur.
  • the q component i q is usually axially symmetrical, so that specifying target values i qs for one sign is sufficient.
  • measurements have shown that this symmetry does not exist for all motors, so that the symmetry cannot always be exploited and target values i qs must also be used for both signs.
  • the maximum current of the synchronous motor or the power converter is also taken into account in the measurements, so that no target values are specified that would lead to the maximum current being exceeded.
  • a great deal of information can be derived from measuring the d-component and the q-component of the magnetic flux. Firstly, the inductances L dd (i d ,i q ) and L qq (i d ,i q ) can be calculated by differentiating one part of the magnetic flux according to the corresponding part of the motor current.
  • transverse inductances L dq (i d ,i q ) and L qd (i d ,i q ) can also be obtained by differentiating one part of the magnetic flux according to the other part of the motor current:
  • ji d denotes the d-component of the magnetic flux
  • ji q denotes the q-component of the magnetic flux
  • the flux measurement in d-direction is still missing the offset of the permanent magnet flux W dPM , which cannot be measured when the synchronous motor is at a standstill.
  • the missing value can be calculated with knowledge of a voltage constant k E according to bE
  • U dPM can be measured by measuring the motor voltage when the synchronous motor is idling at a suitable speed (from this one could also determine k E ).
  • FIG 2 shows an example of a result of a determination of the inductance L dd as a function of i d and i q .
  • the measurement of the magnetic fluxes i.e. the d-part and q-part of the magnetic flux, as a function of i d and i q also works in principle depending on the position, i.e. depending on the rotor position angle a of the synchronous motor, with the blurring of the movement.
  • Synchronous motors with single-tooth windings often also have a position dependency of the magnetic fluxes, so that the magnetic fluxes can also be measured depending on the rotor position.
  • the magnetic fluxes can also be used to calculate the torque of the synchronous motor according to
  • the torque calculated from the measured magnetic fluxes takes the saturation dependence into account.
  • a k T characteristic curve k T ( i q ) for a torque-current ratio k T which describes the relationship between the torque and the q-component i q of the motor current, can be calculated according to or calculate the reluctance torque constant k TRei ( id, iq) for all operating points according to
  • FIG 3 shows an example of a k T characteristic curve 1 calculated in this way in comparison with a k T characteristic curve 2 measured with the rotor of a synchronous motor rotating. The good agreement between the two results is clearly visible.
  • kao to ka bo to kb kco to kc d and kdo to kd d are parameters which are determined from the d-components and q-components of the magnetic flux determined during the measurements and the corresponding d-components and q-components of the motor current.
  • the magnetic fluxes parameterized in this way are used, for example, to calculate MTPA operating points.
  • Figure 4 ( FIG 4 ) and Figure 5 ( FIG 5 ) show examples of MTPA operating points calculated in this way for a synchronous motor.
  • Figure 4 shows a calculated optimal load angle p depending on the torque Mi and Figure 5 shows calculated optimal d- and q-current components i do and i qo as well as the calculated optimal current amount
  • FIG. 6 shows a block diagram of an embodiment of a measuring and evaluation system 3 for measuring and evaluating magnetic fluxes i
  • the measuring and evaluation system 3 comprises a measuring unit 4 which is set up to measure magnetic fluxes i
  • the measuring and evaluation system 3 further comprises an evaluation unit 5 which is set up to calculate inductances L dd , L qq , L dq , L qd of the synchronous motor, a torque M d of the synchronous motor, a torque-current ratio k T and a reluctance torque constant k TRei of the synchronous motor as a function of the motor currents i d , i q of the synchronous motor from the measurement results of the measuring unit 3.
  • an evaluation unit 5 which is set up to calculate inductances L dd , L qq , L dq , L qd of the synchronous motor, a torque M d of the synchronous motor, a torque-current ratio k T and a reluctance torque constant k TRei of the synchronous motor as a function of the motor currents i d , i q of the synchronous motor from the measurement results of the measuring unit 3.
  • the evaluation unit 5 is designed, for example, as a computer program which is executed on a processor and calculates the above-mentioned variables L dd , L qq , L dq , L qd , M d , k T and k TRei of the synchronous motor according to the formulas given above.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung von Magnetflüssen (ψd, ψq) eines permanenterregten Synchronmotors, dessen Motorspannungen durch einen Stromrichter erzeugt werden, in Abhängigkeit von Motorströmen (id, iq) des Synchronmotors. Dabei werden mehrere Einzelmessungen (E1 bis E4) durchgeführt. Bei jeder Einzelmessung (E1 bis E4) wird eine Motorspannung als ein Spannungspuls bei anfänglich verschwindendem Motorstrom erzeugt. Aus einem d-Anteil (Ud) der Motorspannung wird durch Integration über die Pulsdauer des Spannungspulses ein d-Anteil (ψd) des Magnetflusses ermittelt, aus einem q-Anteil (Uq) der Motorspannung wird durch Integration über die Pulsdauer des Spannungspulses ein q-Anteil (ψq) des Magnetflusses ermittelt und es werden ein Messwert für einen d-Anteil (id) und ein Messwert für einen q-Anteil (iq) des Motorstroms erfasst. Ferner betrifft die Erfindung ein Mess- und Auswertesystem (3) für die Messung und Auswertung von Magnetflüssen (ψd, ψq) eines permanenterregten Synchronmotors.

Description

Beschreibung
Messung und Auswertung von Magnetflüssen eines permanenterregten Synchronmotors
Die Erfindung betri f ft ein Verfahren zur Messung von Magnetflüssen eines permanenterregten Synchronmotors , dessen Motorspannungen durch einen Stromrichter erzeugt werden, in Abhängigkeit von Motorströmen des Synchronmotors . Ferner betri f ft die Erfindung ein Mess- und Auswertesystem für die Messung und Auswertung von Magnetflüssen eines derartigen Synchronmotors .
Bei permanenterregten Synchronmotoren gibt es eine Entwicklung hin zu kleineren Motoren mit mehr Überlastfähigkeit , was zur Folge hat , dass das nichtlineare Verhalten dieser Motoren stärker ausgeprägt ist und die Modelle der Motorregelung erweitert werden müssen, um diese Ef fekte zu berücksichtigen . Dazu braucht man eine Messung von Daten, die diese Nichtlinearität beschreiben . Dabei haben sich Magnetflüsse als Funktion des Motorstroms als sehr günstige Beschreibung herausgestellt , insbesondere der d-Anteil des Magnetflusses und der q-Anteil des Magnetflusses als Funktion des d-Anteils und des q-Anteils des Motorstroms in einem rotorfesten d/q- Koordinatensystem . Der d-Anteil einer Größe wie eines Motorstroms , eines Magnetflusses oder einer Motorspannung wird häufig auch als die d-Komponente der Größe in dem d/q- Koordinatensystem oder als Anteil der Größe in der d-Richtung des d/q-Koordinatensystems bezeichnet . Entsprechendes gilt für den q-Anteil einer Größe .
Bisher werden beispielsweise im Rahmen der Motordatenidentifikation di f ferentielle Induktivitäten in d-Richtung und in q-Richtung gemessen . Die Messung erfolgt mit einem Stromof fset und einem überlagerten sinus förmigen Messstrom . Die Messung in d-Richtung kann im Stillstand des Rotors des Synchronmotors erfolgen, die Messung in q-Richtung führt j edoch zu einer starken Bewegung und Beschleunigung des Rotors des Motors . Zum Teil kann die Messung aufgrund der Bewegung nicht bis zum Ende erfolgen, weil es andernfalls zu einer Überschreitung der Maximaldrehzahl des Motors kommen würde . Mit einer solchen Messung kann der Magnetfluss durch Integration der Induktivität errechnet werden, allerdings erhält man dann den Fluss in Abhängigkeit von nur einer Variablen . Eine derartige Messung mit zwei veränderlichen Variablen nimmt relativ viel Zeit in Anspruch .
US 2017 / 0179859 Al of fenbart ein Verfahren zur Diagnose des Zustands der Permanentmagnete eines permanentmagnetisch erregten Motors . Beispielsweise werden ein q-Achsen-Strom, ein d-Achsen-Strom, eine q-Achsen-Spannung und/oder eine d- Achsen-Spannung des Motors basierend auf erfassten Strom- und Spannungsinformationen des Motors bestimmt . Diese Informationen werden zur Bestimmung von Flussinformationen zu magnetischen Flüssen des Motors verwendet . Die Flussinformationen werden zum Bewerten von Zustandsbedingungen der Permanentmagnete des Motors verwendet . Die Auswertungen können verwendet werden, um eine Verschlechterung oder Beschädigung von Permanentmagneten zu identi fi zieren, die als Folge erhöhter Temperaturen, physikalischer oder chemischer Verschlechterung auftreten können .
US 2022 / 196741 Al of fenbart ein Verfahren und System zum Bestimmen elektrischer Eigenschaften eines elektrischen Motors . Das System umfasst eine Signalmodulationsschaltung, eine Signaldemodulationsschaltung und eine Widerstands- und Induktivitäts-Schätzschaltung . Die Signalmodulationsschaltung ist zum Steuern einer Wechselstrom-Referenzspannung auf der Grundlage eines angeforderten maximalen Wechselstroms und eines geschätzten maximalen Wechselstroms und zum Steuern einer Gleichstrom-Referenzspannung auf der Grundlage eines angeforderten Gleichstroms und eines geschätzten Gleichstroms konfiguriert . Die Signaldemodulationsschaltung ist konfiguriert , den geschätzten maximalen Wechselstrom und den geschätzten Gleichstrom für die Signalmodulationsschaltung zu erzeugen . Die Widerstands- und Induktivitäts-Schätzschaltung ist konfi- guriert , eine Induktivität der elektrischen Last auf der Grundlage des geschätzten maximalen Wechselstroms und einer Phasenverschiebung zu bestimmen .
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde , ein verbessertes Verfahren zur Messung von Magnetflüssen eines permanenterregten Synchronmotors , dessen Motorspannungen durch einen Stromrichter erzeugt werden, in Abhängigkeit von Motorströmen des Synchronmotors anzugeben . Ferner liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde , ein verbessertes Mess- und Auswertesystem für die Messung und Auswertung von Magnetflüssen eines permanenterregten Synchronmotors anzugeben .
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Mess- und Auswertesystem mit den Merkmalen des Anspruchs 15 gelöst .
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche .
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Messung von Magnetflüssen eines permanenterregten Synchronmotors , dessen Motorspannungen durch einen Stromrichter erzeugt werden, in Abhängigkeit von Motorströmen des Synchronmotors werden mehrere Einzelmessungen durchgeführt , wobei bei j eder Einzelmessung
- eine Motorspannung als ein Spannungspuls bei anfänglich verschwindendem Motorstrom erzeugt wird,
- aus einem d-Anteil der Motorspannung durch Integration über die Pulsdauer des Spannungspulses ein d-Anteil des Magnetflusses ermittelt wird,
- aus einem q-Anteil der Motorspannung durch Integration über die Pulsdauer des Spannungspulses ein q-Anteil des Magnetflusses ermittelt wird und
- ein Messwert für einen d-Anteil und ein Messwert für einen q-Anteil des Motorstroms erfasst werden .
Unter einem Spannungspuls wird eine Spannung verstanden, die nur während einer kurzen Pulsdauer von Null verschiedene Wer- te mit einer bestimmten Amplitude annimmt . Dabei kann die Spannung während der Pulsdauer mehrfach den Wert Null annehmen, das heißt aus mehreren Einzelpulsen bestehen . Beispielsweise wird ein Spannungspuls durch ein PDM-Signal (= Pulsdauermodulationssignal ) erzeugt .
Mit anderen Worten wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren also eine Viel zahl von Einzelmessungen durchgeführt , bei denen j eweils bei anfänglich verschwindendem Motorstrom ein d- Anteil und ein q-Anteil des Magnetflusses ermittelt und ein d-Anteil und ein q-Anteil des Motorstroms gemessen werden . Der d-Anteil und der q-Anteil des Magnetflusses werden j eweils durch Integration des entsprechenden Anteils der Motorspannung über die Pulsdauer des Spannungspulses ermittelt , mit dem die Motorspannung bei der Einzelmessung erzeugt wird . Durch geeignet gewählte Spannungspulse für die Einzelmessungen können der d-Anteil und der q-Anteil des Magnetflusses j eweils als Funktion des d-Anteils und des q-Anteils des Motorstroms ermittelt werden . Da der Motorstrom zu Beginn j eder Einzelmessung verschwindet und die Spannungspulse relativ kurz sind, können die Einzelmessungen im Quasistillstand des Rotors des Synchronmotors durchgeführt werden, so dass die oben genannten Probleme , die von einer starken Bewegung des Rotors herrühren, vermieden werden können .
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist der d-Anteil der Motorspannung, durch dessen Integration der d-Anteil des Magnetflusses ermittelt wird, die Di f ferenz eines d-Anteils einer gemessenen Ausgangsspannung des Stromrichters und eines ohmschen Anteils eines Spannungsabfalls an einer Statorwicklung des Synchronmotors , und der q-Anteil der Motorspannung, durch dessen Integration der q-Anteil des Magnetflusses ermittelt wird, ist die Di f ferenz eines q-Anteils der gemessenen Ausgangsspannung des Stromrichters und des ohmschen Anteils des Spannungsabfalls an der Statorwicklung des Synchronmotors . Die vorgenannte Ausgestaltung der Erfindung verwendet also Messwerte für die motorseitige Ausgangsspannung des Stromrichters , die an Klemmen des Synchronmotors anliegt , und berücksichtigt den ohmschen Anteil eines Spannungsabfalls an der Statorwicklung des Synchronmotors .
Bei einer zur vorgenannten Ausgestaltung alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist der d-Anteil der Motorspannung, durch dessen Integration der d-Anteil des Magnetflusses ermittelt wird, die Di f ferenz eines Sollwerts für einen d- Anteil einer Ausgangsspannung des Stromrichters und eines ohmschen Anteils eines Spannungsabfalls an einer Statorwicklung des Synchronmotors und eines modellierten Spannungsabbildungs fehlers für den d-Anteil der Ausgangsspannung des Stromrichters ist , und der q-Anteil der Motorspannung, durch dessen Integration der q-Anteil des Magnetflusses ermittelt wird, ist die Di f ferenz eines Sollwerts für einen q-Anteil der Ausgangsspannung des Stromrichters und des ohmschen Anteils des Spannungsabfalls an der Statorwicklung des Synchronmotors und eines modellierten Spannungsabbildungs fehlers für den q-Anteil der Ausgangsspannung des Stromrichters . Unter dem Spannungsabbildungs fehler für einen Anteil der Ausgangsspannung des Stromrichters wird die Di f ferenz des Sollwertes für diesen Anteil der Ausgangsspannung des Stromrichters und des tatsächlichen Wertes dieses Anteils der Ausgangsspannung des Stromrichters verstanden .
Die vorgenannte Ausgestaltung der Erfindung verwendet also Sollwerte statt Messwerte für die Ausgangsspannung des Stromrichters , um die Magnetflüsse zu ermitteln . Daher ist sie aufgrund der nicht genau bekannten Spannungsabbildungs fehler etwas ungenauer als die auf Messwerten für die Ausgangsspannungen des Stromrichters basierende Ermittlung der Magnetflüsse , hat j edoch den Vorteil , dass die Ausgangsspannungen des Stromrichters nicht gemessen werden müssen .
Bei beiden vorgenannten Ausgestaltungen der Erfindung wird der ohmsche Spannungsabfall an der Statorwicklung des Syn- chronmotors beispielsweise aus einem ohmschen Widerstand der Statorwicklung und dem Motorstrom berechnet .
Vorzugsweise ist der bei einer Einzelmessung erfasste Messwert für den d-Anteil des Motorstroms ein Wert , für den ein Betrag des d-Anteils des Motorstroms maximal ist , und der bei einer Einzelmessung erfasste Messwert für den q-Anteil des Motorstroms ist ein Wert , für den ein Betrag des q-Anteils des Motorstroms maximal ist . Diese Ausgestaltung der Erfindung berücksichtigt , dass der Motorstrom während einer Einzelmessung von Null auf einen Maximalwert ansteigt , der für die Messwerte für den d-Anteil und den q-Anteil des Motorstroms herangezogen wird . Wenn bei der Strommessung beispielsweise nur Mittelwerte der Motorströme über j eweils eine Taktperiode einer Pulsdauermodulation gemessen werden, wird nach dem Spannungspuls , der bei einer Einzelmessung erzeugt wird, noch eine Taktperiode lang eine verschwindende Motorspannung erzeugt und der Motorstrom wird für diese Taktperiode gemessen, da er dann noch annähernd seinen Maximalwert aufweist .
Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung werden Messsequenzen von j eweils vier aufeinander folgenden Einzelmessungen durchgeführt , wobei bei j eder Messsequenz
- bei den Einzelmessungen j eweils wenigstens annähernd derselbe d-Anteil der Motorspannung und wenigstens annähernd derselbe Betrag des q-Anteils der Motorspannung erzeugt werden,
- bei einer auf eine erste Einzelmessung folgenden zweiten Einzelmessung und bei einer auf die zweite Einzelmessung folgenden dritten Einzelmessung das Vorzeichen des q-Anteils der Motorspannung gegenüber der ersten Einzelmessung invertiert wird und
- bei einer auf die dritte Einzelmessung folgenden vierten Einzelmessung ein q-Anteil der Motorspannung mit demselben Vorzeichen wie bei der ersten Einzelmessung erzeugt wird . Die vorgenannte Ausgestaltung der Erfindung zielt auf möglichst geringe Bewegungen und Lageänderungen des Rotors des Synchronmotors während der Messungen . Dies wird zum einen dadurch erreicht , dass bei der zweiten Einzelmessung einer Messsequenz das Vorzeichen des q-Anteils der Motorspannung gegenüber der ersten Einzelmessung invertiert wird, um die durch die erste Einzelmessung verursachte Bewegung des Rotors zu stoppen . Bei der dritten Einzelmessung der Messsequenz wird der Rotor dann entgegensetzt zu der ersten Einzelmessung bewegt , um die durch die erste Einzelmessung verursachte Lageänderung des Rotors zurückzufahren . Bei der vierten Einzelmessung einer Messsequenz wird das Vorzeichen des q-Anteils der Motorspannung gegenüber der dritten Einzelmessung invertiert , um die durch die dritte Einzelmessung verursachte Bewegung des Rotors zu stoppen . Nach einer Messsequenz befindet sich der Motor daher zumindest annähernd in demselben Zustand wie vor der Messsequenz .
Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung werden für j ede Messsequenz ein Mittelwert der bei den Einzelmessungen ermittelten d-Anteile des Magnetflusses und ein Mittelwert der bei den Einzelmessungen erfassten Messwerte für den d-Anteil des Motorstroms gebildet .
Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung werden für j ede Messsequenz ein Mittelwert der bei der ersten Einzelmessung und der vierten Einzelmessung ermittelten q-Anteile des Magnetflusses und ein Mittelwert der bei der ersten Einzelmessung und der vierten Einzelmessung erfassten Messwerte für den q-Anteil des Motorstroms gebildet .
Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung werden für j ede Messsequenz ein Mittelwert der bei der zweiten Einzelmessung und der dritten Einzelmessung ermittelten q-Anteile des Magnetflusses und ein Mittelwert der bei der zweiten Einzelmessung und der dritten Einzelmessung erfassten Messwerte für den q-Anteil des Motorstroms gebildet . Die drei vorgenannten Ausgestaltungen der Erfindung fassen die Einzelmessungen einer Messsequenz zusammen, indem sie über bei den Einzelmessungen ermittelte Werte korrespondierender Anteile des Magnetflusses und des Motorstroms mitteln . Dadurch werden durch Bewegungen und Lageänderungen des Rotors verursachte Unterschiede zwischen Einzelmessungen und Messungenauigkeiten ausgeglichen .
Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird j ede Messsequenz bei anfänglich verschwindender Bewegung des Rotors , genauer bei anfänglich verschwindender Relativbewegung des Rotors und des Stators des Synchronmotors , durchgeführt . Beispielsweise wird nach j eder Messsequenz eine Relativbewegung des Rotors und des Stators durch einen der Relativbewegung entgegenwirkenden Spannungspuls gestoppt .
Auch die vorgenannte Ausgestaltung der Erfindung zielt darauf ab, die Messungen bei möglichst geringer Bewegung des Rotors durchzuführen .
Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung werden Wertepaare , die j eweils aus einem Zielwert für den d-Anteil und einem Zielwert für den q-Anteil des Motorstroms bestehen, vorgegeben und für j edes Wertepaar wird eine Messsequenz durchgeführt , deren Messwerte für den d-Anteil und für den q- Anteil des Motorstroms mit den korrespondierenden Zielwerten des Wertepaares mit einer vorgegebenen Mindestgenauigkeit übereinstimmen . Beispielsweise wird zum Durchführen einer zu einem Wertepaar korrespondierenden Messsequenz eine Iteration über mehrere Messsequenzen durchgeführt .
Die vorgenannte Ausgestaltung der Erfindung zielt darauf ab, Messwerte für den d-Anteil und für den q-Anteil des Motorstroms in einer durch Wertepaare vorgegebenen Weise auf einen Messbereich zu verteilen, um den Messbereich möglichst vollständig abzudecken . Beispielsweise werden Wertepaare gewählt , die den Messbereich gleichmäßig rastern . Um einen durch ein Wertepaar charakterisierten Messpunkt zu tref fen, wird bei- spielsweise eine Iteration über mehrere Messsequenzen durchgeführt bis die Messwerte für den d-Anteil und für den q- Anteil des Motorstroms mit den Zielwerten des Wertepaares mit der geforderten Mindestgenauigkeit übereinstimmen .
Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung werden der d- Anteil des Magnetflusses und der q-Anteil des Magnetflusses j eweils durch eine parametrisierte Funktion von dem d-Anteil und dem q-Anteil des Motorstroms approximiert und die Parameter dieser Funktionen werden aus bei den Messungen ermittelten d-Anteilen und q-Anteilen des Magnetflusses und den zugehörigen d-Anteilen und q-Anteilen des Motorstroms bestimmt .
Die so bestimmten Funktionen können vorteilhaft für verschiedene quantitative Berechnungen von Motoreigenschaften des Synchronmotors genutzt werden, beispielsweise um sogenannte MTPA-Betriebspunkte (MTPA = Maximum Torque Per Ampere ) zu berechnen . Diese sind Betriebspunkte , bei denen ein gewünschtes Drehmoment mit dem kleinsten dafür benötigten Motorstrom realisiert wird .
Ein erfindungsgemäßes Mess- und Auswertesystem für die Messung und Auswertung von Magnetflüssen eines permanenterregten Synchronmotors , dessen Motorspannungen durch einen Stromrichter erzeugt werden, umfasst
- eine Messeinheit , die eingerichtet ist , gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren Magnetflüsse des Synchronmotors in Abhängigkeit von Motorströmen des Synchronmotors zu messen, und
- eine Auswerteeinheit , die eingerichtet ist , aus den Messergebnissen der Messeinheit Induktivitäten des Synchronmotors und/oder ein Drehmoment des Synchronmotors und/oder ein Drehmoment-Strom-Verhältnis und/oder eine Reluktanzmomentkonstan- te des Synchronmotors in Abhängigkeit von den Motorströmen des Synchronmotors zu berechnen .
Das erfindungsgemäße Mess- und Auswertesystem nutzt aus , dass die erfindungsgemäße Messung von Magnetflüssen in Abhängigkeit von Motorströmen des Synchronmotors es ermöglicht , verschiedene betriebsrelevante Kenngrößen des Synchronmotors wie Induktivitäten, ein Drehmoment , ein Drehmoment-Strom- Verhältnis und eine Reluktanzmomentkonstante in Abhängigkeit von den Motorströmen des Synchronmotors zu berechnen . Konkrete Formeln für die Berechnung dieser Kenngrößen werden unten in der Figurenbeschreibung angegeben .
Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise , wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung von Aus führungsbeispielen, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden . Dabei zeigen :
FIG 1 zeitliche Verläufe verschiedener Größen eines permanenterregten Synchronmotors bei einer Messung von Magnetflüssen in Abhängigkeit von Motorströmen,
FIG 2 eine Induktivität in Abhängigkeit von Motorströmen eines permanenterregten Synchronmotors ,
FIG 3 eine unter Verwendung von gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren durchgeführten Messungen berechnete Kennlinie eines permanenterregten Synchronmotors und eine bei drehendem Rotor des Synchronmotors gemessene Kennlinie ,
FIG 4 einen berechneten optimalen Lastwinkel in Abhängigkeit von einem Drehmoment eines permanenterregten Synchronmotors ,
FIG 5 berechnete optimale d- und q-Anteile sowie den berechneten optimalen Betrag des Motorstroms in Abhängigkeit von dem Drehmoment eines permanenterregten Synchronmotors ,
FIG 6 ein Blockdiagramm eines Aus führungsbeispiels eines Mess- und Auswertesystems für die Messung und Auswertung von Magnetflüssen in Abhängigkeit von Motorströmen eines permanenterregten Synchronmotors . Einander entsprechende Teile sind in den Figuren mit denselben Bezugs zeichen versehen .
Figur 1 ( FIG 1 ) illustriert ein Aus führungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Messung von Magnetflüssen eines permanenterregten Synchronmotors in Abhängigkeit von Motorströmen des Synchronmotors anhand von Verläufen verschiedener Größen id, iq, Ud, Uq, n und a des Synchronmotors in Abhängigkeit von einer Zeit t . Dabei bezeichnen id einen d- Anteil eines Motorstroms , iq einen q-Anteil des Motorstroms , Ud einen d-Anteil einer Motorspannung, Uq einen q-Anteil der Motorspannung, n eine Drehzahl und a einen Rotorlagewinkel des Synchronmotors . Die Motorspannungen werden durch einen Stromrichter, beispielsweise pulsdauermoduliert durch PDM- Signale des Stromrichters , erzeugt .
Beispielsweise ist der d-Anteil Ud der Motorspannung die Di fferenz eines d-Anteils einer gemessenen Ausgangsspannung des Stromrichters und eines ohmschen Anteils eines Spannungsabfalls an einer Statorwicklung des Synchronmotors , und der q- Anteil Uq der Motorspannung ist die Di f ferenz eines q-Anteils der gemessenen Ausgangsspannung des Stromrichters und des ohmschen Anteils des Spannungsabfalls an der Statorwicklung des Synchronmotors . Alternativ ist der d-Anteil Ud der Motorspannung die Di f ferenz eines Sollwerts für den d-Anteil der Ausgangsspannung des Stromrichters und des ohmschen Anteils des Spannungsabfalls an der Statorwicklung des Synchronmotors und eines modellierten Spannungsabbildungs fehlers für den d- Anteil der Ausgangsspannung des Stromrichters , und der q- Anteil Uq der Motorspannung ist die Di f ferenz eines Sollwerts für den q-Anteil der Ausgangsspannung des Stromrichters und des ohmschen Anteils des Spannungsabfalls an der Statorwicklung des Synchronmotors und eines modellierten Spannungsabbildungs fehlers für den q-Anteil der Ausgangsspannung des Stromrichters . Der ohmsche Anteil des Spannungsabfalls an der Statorwicklung des Synchronmotors wird aus einem ohmschen Widerstand der Statorwicklung und dem Motorstrom berechnet . Bei dem Verfahren werden Messsequenzen S von j eweils vier aufeinander folgenden Einzelmessungen El bis E4 durchgeführt . Bei j eder Einzelmessung El bis E4 wird eine Motorspannung als ein Spannungspuls bei anfänglich verschwindendem Motorstrom erzeugt . Aus dem d-Anteil Ud der Motorspannung wird durch Integration über die Pulsdauer des Spannungspulses ein d-Anteil des Magnetflusses ermittelt . Aus dem q-Anteil Uq der Motorspannung wird durch Integration über die Pulsdauer des Spannungspulses ein q-Anteil des Magnetflusses ermittelt .
Ferner werden bei j eder Einzelmessung El bis E4 ein Messwert für den d-Anteil id und ein Messwert für den q-Anteil iq des Motorstroms erfasst . Beispielsweise ist der Messwert für den d-Anteil id des Motorstroms ein Wert , für den ein Betrag des d-Anteils id des Motorstroms maximal ist , und der Messwert für den q-Anteil iq des Motorstroms ist ein Wert , für den ein Betrag des q-Anteils iq des Motorstroms maximal ist .
Bei j eder Messsequenz S werden bei den Einzelmessungen El bis E4 j eweils wenigstens annähernd derselbe d-Anteil Ud der Motorspannung und wenigstens annähernd derselbe Betrag des q- Anteils Uq der Motorspannung erzeugt . Bei einer auf eine erste Einzelmessung El folgenden zweiten Einzelmessung E2 und bei einer auf die zweite Einzelmessung E2 folgenden dritten Einzelmessung E3 wird das Vorzeichen des q-Anteils Uq der Motorspannung gegenüber der ersten Einzelmessung El invertiert . Bei einer auf die dritte Einzelmessung E3 folgenden vierten Einzelmessung E4 wird ein q-Anteil Uq der Motorspannung mit demselben Vorzeichen wie bei der ersten Einzelmessung El erzeugt .
Für j ede Messsequenz S werden ein Mittelwert der bei den Einzelmessungen ermittelten d-Anteile des Magnetflusses und ein Mittelwert der bei den Einzelmessungen El bis E4 erfassten Messwerte für den d-Anteil id des Motorstroms gebildet . Ferner werden für j ede Messsequenz S ein Mittelwert der bei der ersten Einzelmessung El und der vierten Einzelmessung E4 ermittelten q-Anteile des Magnetflusses und ein Mittelwert der bei der ersten Einzelmessung El und der vierten Einzelmessung E4 erfassten Messwerte für den q-Anteil iq des Motorstroms gebildet . Entsprechend werden für j ede Messsequenz S ein Mittelwert der bei der zweiten Einzelmessung E2 und der dritten Einzelmessung E3 ermittelten q-Anteile des Magnetflusses und ein Mittelwert der bei der zweiten Einzelmessung E2 und der dritten Einzelmessung E3 erfassten Messwerte für den q-Anteil iq des Motorstroms gebildet .
Jede Messsequenz S wird bei anfänglich verschwindender Relativbewegung eines Rotors und eines Stators des Synchronmotors durchgeführt . Zu diesem Zweck wird nach j eder Messsequenz S eine Relativbewegung des Rotors und des Stators durch einen der Relativbewegung entgegenwirkenden Spannungs-Stopp-Puls H gestoppt , der nur einen d-Anteil aufweist .
Vorzugsweise werden für die Messungen Wertepaare ( ids , iqs ) vorgegeben, die j eweils aus einem Zielwert ids für den d- Anteil id und einem Zielwert iqs für den q-Anteil iq des Motorstroms bestehen . Für j edes Wertepaar wird eine Messsequenz S durchgeführt , deren Messwerte für den d-Anteil und für den q-Anteil des Motorstroms mit den korrespondierenden Zielwerten ids und iqs des Wertepaares mit einer vorgegebenen Mindestgenauigkeit übereinstimmen . Die Wertepaare werden beispielsweise derart vorgegeben, dass sie Bereiche für den d- Anteil id und den q-Anteil iq des Motorstroms gleichmäßig rastern .
Zum Durchführen einer zu einem Wertepaar ( ids , iqs ) korrespondierenden Messsequenz S wird beispielsweise eine Iteration mehrerer Messsequenzen S durchgeführt , wobei Motorspannungen Ud und Uq getrennt j eweils korrigiert werden, um die Zielwerte ids und iqs mit der geforderten Mindestgenauigkeit zu erreichen . Beispielsweise können über eine parametrierte Motorinduktivität Motorspannungen Ud und Uq für den ersten Schritt der Iteration abgeschätzt beziehungsweise berechnet werden . Danach können mit den tatsächlichen Messwerten für id und iq diese Vorgaben korrigiert und die Messung wiederholt werden bis die Zielwerte i ds und iqs mit der geforderten Mindestgenauigkeit erreicht sind . Hat man schon mehrere Messungen durchgeführt , können zur schnelleren Konvergenz der Iteration die di f ferentiellen Induktivitäten von Messungen in der Nähe des j eweiligen Messpunktes verwendet werden .
Figur 1 zeigt beispielhaft eine Erhöhung der Zielwerte i ds und iqs zu Zeitpunkten ti und t2 . Nach j edem dieser Zeitpunkte werden zwei Messsequenzen S durchgeführt und die Zielwerte ids und iqs werden j eweils bei der zweiten Messsequenz S mit der geforderten Mindestgenauigkeit erreicht .
Allerdings würde man abweichend von Figur 1 in der Praxis nicht unbedingt beide Zielwerte i ds und iqs gleichzeitig verändern . Beispielsweise beginnt man mit kleinen Zielwerten ids und iqs und erhöht dann gemäß einem festgelegten Raster zunächst sukzessive den Zielwert iqs bis man den gewünschten Bereich für iq abgedeckt hat . Danach verändert man den Zielwert i ds und fährt für den geänderten Zielwert wieder das Raster der Zielwerte iqs ab . Für den d-Anteil id müssen dabei Zielwerte i ds immer für beide Vorzeichen des Stroms vorgegeben werden . Beispielsweise kann man beginnend mit kleinen Strombeträgen erst die positiven Zielwerte i ds abarbeiten und danach ebenso mit kleinen Strombeträgen beginnend die negativen Zielwerte i ds - Dies ist notwendig, weil ein permanenterregter Synchronmotor bezüglich id nicht punkt- oder achsensymmetrisch ist . Bei einer Messsequenz S treten q-Anteile iq mit verschiedenen Vorzeichen auf . Beim q-Anteil iq liegt in der Regel eine Achsensymmetrie vor, so dass die Vorgabe von Zielwerten iqs für ein Vorzeichen ausreicht . Allerdings haben Messungen gezeigt , dass es diese Symmetrie nicht für alle Motoren gibt , sodass man die Symmetrie nicht immer ausnutzen kann und Zielwerte iqs ebenfalls für beide Vorzeichen verwenden muss . Bei den Messungen wird außerdem der Maximalstrom des Synchronmotors oder des Stromrichters berücksichtigt , sodass keine Zielwerte vorgegeben werden, die zu einer Überschreitung des Maximalstroms führen . Aus der Messung des d-Anteils und des q-Anteils des Magnetflusses können sehr viele Informationen abgeleitet werden. Zum einen können die Induktivitäten Ldd(id,iq) und Lqq(id,iq) berechnet werden, indem man einen Anteil des Magnetflusses nach dem entsprechenden Anteil des Motorstroms differenziert. Außerdem erhält man auch die Querinduktivitäten Ldq(id,iq) und Lqd(id,iq) , wenn man einen Anteil des Magnetflusses nach dem jeweils anderen Anteil des Motorstroms differenziert:
Hierbei bezeichnet jid den d-Anteil des Magnetflusses und jiq bezeichnet den q-Anteil des Magnetflusses.
Der Flussmessung in d-Richtung fehlt noch der Offset des Permanentmagnetflusses WdPM, der im Stillstand des Synchronmotors nicht gemessen werden kann. Man kann den fehlenden Wert mit Kenntnis einer Spannungskonstante kE berechnen gemäß b-E
’b'dPM — A/6 ■ Tl ■ Zp
Dabei ist zp die Polpaarzahl und die Spannungskonstante kE ist die verkettete Effektivspannung im Leerlauf dividiert durch die Drehzahl des Synchronmotors . Der Wert von UdPM muss zu einem gemessenen d-Anteil des Magnetflusses addiert werden, um ¥d zu erhalten .
Alternativ kann UdPM gemessen werden, indem im Leerlauf des Synchronmotors bei geeigneter Drehzahl die Motorspannung gemessen wird ( daraus könnte man auch kE bestimmen) .
Figur 2 ( FIG 2 ) zeigt beispielhaft ein Ergebnis einer Bestimmung der Induktivität Ldd in Abhängigkeit von id und iq .
Die Messung der Magnetflüsse , das heißt des d-Anteils und q- Anteils des Magnetflusses , in Abhängigkeit von id und iq funktioniert prinzipiell auch lageabhängig, das heißt in Abhängigkeit von dem Rotorlagewinkel a des Synchronmotors , mit der Unschärfe der Bewegung . Synchronmotoren mit Einzel zahnwicklung haben häufig auch eine Lageabhängigkeit der Magnetflüsse , so dass man die Magnetflüsse auch abhängig von der Rotorlage messen kann .
Mit den Magnetflüssen kann ferner das Drehmoment des Synchronmotors berechnet werden gemäß
Dabei wurden die Rastmomente vernachlässigt beziehungsweise die Rastmomente müssen gesondert betrachtet werden .
Das aus den gemessenen Magnetflüssen berechnete Drehmoment berücksichtigt die Sättigungsabhängigkeit . Mit dem Drehmoment kann man beispielsweise eine kT-Kennlinie kT ( iq) für ein Drehmoment-Strom-Verhältnis kT, das den Zusammenhang des Drehmoments und des q-Anteils iq des Motorstroms beschreibt , berechnen gemäß oder auch die Reluktanzmomentkonstante kTRei ( id, iq) für alle Arbeitspunkte berechnen gemäß
Figur 3 ( FIG 3 ) zeigt beispielhaft eine derart berechnete kT- Kennlinie 1 im Vergleich zu einer bei drehendem Rotor eines Synchronmotors gemessenen kT-Kennlinie 2 . Deutlich erkennbar ist die gute Übereinstimmung der beiden Ergebnisse .
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Magnetflüsse j eweils mit einer geeigneten parametrisierten Funktion von id und iq zu approximieren und damit optimale Betriebspunkte zu berechnen . Derartige Funktionen sind beispielsweise
Hier sind kao bis ka bo bis kb kco bis kcd und kdo bis kdd Parameter, die aus bei den Messungen ermittelten d-Anteilen und q-Anteilen des Magnetflusses und den zugehörigen d- Anteilen und q-Anteilen des Motorstroms bestimmt werden .
Mit den derart parametrisierten Magnetflüssen werden beispielsweise MTPA-Betriebspunkte berechnet .
Figur 4 ( FIG 4 ) und Figur 5 ( FIG 5 ) zeigen beispielhaft derart berechnete MTPA-Betriebspunkte für einen Synchronmotor .
Dabei zeigt Figur 4 einen berechneten optimalen Lastwinkel p in Abhängigkeit von dem Dehmoment Mi und Figur 5 zeigt be- rechnete optimale d- und q-Stromanteile ido und iqo sowie den berechneten optimalen Strombetrag | io I des Motorstroms in Abhängigkeit von dem Drehmoment Md .
Figur 6 ( FIG 6 ) zeigt ein Blockdiagramm eines Aus führungsbeispiels eines Mess- und Auswertesystems 3 für die Messung und Auswertung von Magnetflüssen i|id, ^g eines permanenterregten Synchronmotors , dessen Motorspannungen durch einen Stromrichter erzeugt werden, in Abhängigkeit von Motorströmen id, iq des Synchronmotors . Das Mess- und Auswertesystem 3 umfasst eine Messeinheit 4 , die eingerichtet ist , gemäß dem oben beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren Magnetflüsse i|id, ^g des Synchronmotors in Abhängigkeit von Motorströmen id, iq des Synchronmotors zu messen . Ferner umfasst das Mess- und Auswertesystem 3 eine Auswerteeinheit 5 , die eingerichtet ist , aus den Messergebnissen der Messeinheit 3 Induktivitäten Ldd, Lqq, Ldq, Lqd des Synchronmotors , ein Drehmoment Md des Synchronmotors , ein Drehmoment-Strom-Verhältnis kT und eine Reluktanzmomentkonstante kTRei des Synchronmotors in Abhängigkeit von den Motorströmen id, iq des Synchronmotors zu berechnen . Die Auswerteeinheit 5 ist beispielsweise als ein Computerprogramm ausgebildet , das auf einem Prozessor ausgeführt wird und die oben genannten Größen Ldd, Lqq, Ldq, Lqd, Md , kT und kTRei des Synchronmotors gemäß oben angegebenen Formeln berechnet .
Obwohl die Erfindung im Detail durch bevorzugte Aus führungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde , so ist die Erfindung nicht durch die of fenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen .

Claims

Patentansprüche
1 . Verfahren zur Messung von Magnetflüssen ( jid, jiq) eines permanenterregten Synchronmotors , dessen Motorspannungen durch einen Stromrichter erzeugt werden, in Abhängigkeit von Motorströmen ( id, iq) des Synchronmotors , wobei mehrere Einzelmessungen (El bis E4 ) durchgeführt werden und bei j eder Einzelmessung (El bis E4 )
- eine Motorspannung als ein Spannungspuls bei anfänglich verschwindendem Motorstrom erzeugt wird,
- aus einem d-Anteil (Ud) der Motorspannung durch Integration über die Pulsdauer des Spannungspulses ein d-Anteil ( jid) des Magnetflusses ermittelt wird,
- aus einem q-Anteil (Uq) der Motorspannung durch Integration über die Pulsdauer des Spannungspulses ein q-Anteil ( jiq) des Magnetflusses ermittelt wird und
- ein Messwert für einen d-Anteil ( id) und ein Messwert für einen q-Anteil ( iq) des Motorstroms erfasst werden .
2 . Verfahren nach Anspruch 1 , wobei der d-Anteil (Ud) der Motorspannung die Di f ferenz eines d-Anteils einer gemessenen Ausgangsspannung des Stromrichters und eines ohmschen Anteils eines Spannungsabfalls an einer Statorwicklung des Synchronmotors ist und der q-Anteil (Uq) der Motorspannung die Di f ferenz eines q-Anteils der gemessenen Ausgangsspannung des Stromrichters und des ohmschen Anteils des Spannungsabfalls an der Statorwicklung des Synchronmotors ist .
3 . Verfahren nach Anspruch 1 , wobei der d-Anteil (Ud) der Motorspannung die Di f ferenz eines Sollwerts für einen d-Anteil einer Ausgangsspannung des Stromrichters und eines ohmschen Anteils eines Spannungsabfalls an einer Statorwicklung des Synchronmotors und eines modellierten Spannungsabbildungs fehlers für den d-Anteil der Ausgangsspannung des Stromrichters ist und der q-Anteil (Uq) der Motorspannung die Di f ferenz eines Sollwerts für einen q-Anteil der Ausgangsspannung des Stromrichters und des ohmschen Anteils des Spannungsabfalls an der Statorwicklung des Synchronmotors und eines modellier- ten Spannungsabbildungsfehlers für den q-Anteil der Ausgangsspannung des Stromrichters ist.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, wobei der ohmsche Spannungsabfall an der Statorwicklung des Synchronmotors aus einem ohmschen Widerstand der Statorwicklung und dem Motorstrom berechnet wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der bei einer Einzelmessung (El bis E4) erfasste Messwert für den d-Anteil (id) des Motorstroms ein Wert ist, für den ein Betrag des d-Anteils (id) des Motorstroms maximal ist, und der bei einer Einzelmessung (El bis E4) erfasste Messwert für den q-Anteil (iq) des Motorstroms ein Wert ist, für den ein Betrag des q-Anteils (iq) des Motorstroms maximal ist.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei Messsequenzen (S) von jeweils vier aufeinander folgenden Einzelmessungen (El bis E4) durchgeführt werden, wobei bei jeder Messsequenz (S)
- bei den Einzelmessungen (El bis E4) jeweils wenigstens annähernd derselbe d-Anteil (Ud) der Motorspannung und wenigstens annähernd derselbe Betrag des q-Anteils (Uq) der Motorspannung erzeugt werden,
- bei einer auf eine erste Einzelmessung (El) folgenden zweiten Einzelmessung (E2) und bei einer auf die zweite Einzelmessung (E2) folgenden dritten Einzelmessung (E3) das Vorzeichen des q-Anteils (Uq) der Motorspannung gegenüber der ersten Einzelmessung (El) invertiert wird und
- bei einer auf die dritte Einzelmessung (E3) folgenden vierten Einzelmessung (E4) ein q-Anteil (Uq) der Motorspannung mit demselben Vorzeichen wie bei der ersten Einzelmessung (El) erzeugt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei für jede Messsequenz (S) ein Mittelwert der bei den Einzelmessungen (El bis E4) ermittelten d-Anteile (jid) des Magnetflusses und ein Mittelwert der bei den Einzelmessungen (El bis E4) erfassten Messwerte für den d-Anteil (id) des Motorstroms gebildet werden.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, wobei für jede Messsequenz (S) ein Mittelwert der bei der ersten Einzelmessung (El) und der vierten Einzelmessung (E4) ermittelten q- Anteile (jiq) des Magnetflusses und ein Mittelwert der bei der ersten Einzelmessung (El) und der vierten Einzelmessung (E4) erfassten Messwerte für den q-Anteil (iq) des Motorstroms gebildet werden.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei für jede Messsequenz (S) ein Mittelwert der bei der zweiten Einzelmessung (E2) und der dritten Einzelmessung (E3) ermittelten q- Anteile (jiq) des Magnetflusses und ein Mittelwert der bei der zweiten Einzelmessung (E2) und der dritten Einzelmessung (E3) erfassten Messwerte für den q-Anteil (iq) des Motorstroms gebildet werden.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, wobei jede Messsequenz (S) bei anfänglich verschwindender Relativbewegung eines Rotors und eines Stators des Synchronmotors durchgeführt wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 10, wobei nach jeder Messsequenz (S) eine Relativbewegung des Rotors und des Stators durch einen der Relativbewegung entgegenwirkenden Spannungs-Stopp-Puls (H) gestoppt wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 11, wobei Wertepaare, die jeweils aus einem Zielwert (ids) für den d-
Anteil (id) und einem Zielwert (iqs) für den q-Anteil (iq) des Motorstroms bestehen, vorgegeben werden und für jedes Wertepaar eine Messsequenz (S) durchgeführt wird, deren Messwerte für den d-Anteil (id) und für den q-Anteil (iq) des Motorstroms mit den korrespondierenden Zielwerten (ids, iqs) des Wertepaares mit einer vorgegebenen Mindestgenauigkeit übereinstimmen .
13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei zum Durchführen einer zu einem Wertepaar korrespondierenden Messsequenz (S) eine Iteration über mehrere Messsequenzen (S) durchgeführt wird.
14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der d-Anteil (jid) des Magnetflusses und der q-Anteil (jiq) des Magnetflusses jeweils durch eine parametrisierte Funktion von dem d-Anteil (id) und dem q-Anteil (iq) des Motorstroms approximiert werden und die Parameter dieser Funktionen aus bei den Messungen ermittelten d-Anteilen (jid) und q-Anteilen (jiq) des Magnetflusses und den zugehörigen d-Anteilen (id) und q- Anteilen (iq) des Motorstroms bestimmt werden.
15. Mess- und Auswertesystem (3) für die Messung und Auswertung von Magnetflüssen (jid, jiq) eines permanenterregten Synchronmotors, dessen Motorspannungen durch einen Stromrichter erzeugt werden, in Abhängigkeit von Motorströmen (id, iq) des Synchronmotors, das Mess- und Auswertesystem (3) umfassend
- eine Messeinheit (4) , die eingerichtet ist, gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche Magnetflüsse (jid, jiq) des Synchronmotors in Abhängigkeit von Motorströmen (id, iq) des Synchronmotors zu messen, und
- eine Auswerteeinheit (5) , die eingerichtet ist, aus den Messergebnissen der Messeinheit (4) Induktivitäten (Ldd, Lqq, Ldq, Lqd) des Synchronmotors und/oder ein Drehmoment (Md) des Synchronmotors und/oder ein Drehmoment-Strom-Verhältnis (kT) und/oder eine Reluktanzmomentkonstante (kTRei) des Synchronmotors in Abhängigkeit von den Motorströmen (id, iq) des Synchronmotors zu berechnen.
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