FI109847B - Menetelmä tahtikoneen roottorikulmaestimaatin virheen minimoimiseksi - Google Patents

Description

109847

Menetelmä tahtikoneen roottorikulmaestimaatin virheen minimoimiseksi

Keksinnön tausta Tämän keksinnön kohteena on menetelmä tahtikoneen roottorikul-5 maestimaatin virheen minimoimiseksi, joka käsittää vaiheet, joissa määritetään tahtikoneen staattorivuo tahtikoneen virtamalliin perustuen, määritetään tahtikoneen staattorivuo jänniteintegraaliin ja staattori-vuon alkuarvoon perustuen, ja 10 määritetään tahtikoneen roottorikulma.

Tahtikone koostuu yleisesti kolmivaiheisella käämityksellä varustetusta staattorista ja magnetoidusta roottorista. Roottorin magnetoiminen suoritetaan tyypillisesti joko kestomagnetoinnilla tai vierasmagnetoinnilla. Kesto-magnetoinnissa roottoriin on asennettu kestomagneettilohkoja, joita staattoriin 15 aikaansaatu pyörivä magneettikenttä vetää puoleensa samalla pyörittäen roottoria. Roottorin vierasmagnetointi tarkoittaa sitä, että roottoriin on sijoitettu käämivyyhtejä, joihin tuodaan virtaa. Roottorin käämivyyhdit muodostavat tällöin magneettinapoja roottoriin, jotka toimivat samalla periaatteella kuin kesto-magneetista valmistetut navat. Tahtikoneen roottori voi lisäksi olla rakenteel-20 taan joko umpi- tai avonapainen. Umpinapaisissa koneissa roottorin induktanssi staattorista katsottuna pysyy lähes vakiona, kun taas avonapakoneissa roottorin ja staattorin ilmavälin muutoksesta johtuen roottorin induktanssi V vaihtelee suuresti roottorin asentokulmasta riippuen.

Nopeussäädetyissä tahtikonekäytöissä on tärkeää säätöjärjestel-25 män toiminnan kannalta, että koneen roottorin asentokulma tiedetään mahdollisimman tarkasti. Erityisesti säätömenetelmissä, jotka perustuvat koneen staattorivuon suoraan ohjaamiseen kulman määrityksen tarkkuudella on suuri merkitys säätötarkkuuden lopputulokseen. Roottorin asentokulman määrittämiseen käytetään yleisesti pulssienkooderia tai absoluuttianturia, jolta saata-30 van tiedon perusteella on mahdollista määrittää roottorin kulma.

> ' · · Kulma-anturilta saatava mittaustulos sisältää virhettä, joka aiheutuu ainakin kahdesta eri määritettävissä olevasta komponentista. Ensimmäinen • ‘ : tunnetuista virhettä aiheuttavista komponenteista on virheellinen alkukulma, jonka kulma-anturi määrittää. Alkukulman estimointiin on esitetty useita eri es-35 timointialgoritmeja, mutta jos moottorin kuorma sallii, voidaan roottori kääntää käytön alussa haluttuun suuntaan. Edullinen suunta on esimerkiksi roottorin 2 109847 kääntäminen jonkun vaiheen käämin suuntaiseksi. Roottorin kääntäminen voidaan suorittaa syöttämällä haluttuun vaiheeseen tasavirtaa, jolloin roottori kääntyy halutun suuntaiseksi. Alkukulman määrittäminen ja korjaaminen root-toriä kääntämällä on kuitenkin tahtikoneiden käyttökohteista johtuen usein 5 mahdotonta.

Roottorikulman virhe voi muodostua myös diskreetin säätöjärjestelmän viiveistä. Jos moottorimalleissa koneen tilan laskentaan käytettävä roottorikulma on määritetty ajan At ennen moottorimallin laskentaa, aiheutuu tästä lisävirhe, joka on verrannollinen roottorin kulmataajuuteen yhtälön ΔΘ = 10 coAt mukaisesti. Toisin sanoen roottorin pyöriessä määritetty kulmainformaatio vanhenee ennen kuin sitä käytetään moottorimallin laskemiseen. Viiveistä johtuva kulmavirhe on siis suoraan verrannollinen roottorin kulmanopeuteen.

Tahtikoneen staattorivirran aiheuttaman vääntömomentin suoraan ohjaamiseen perustuvissa moottorinsäätömenetelmissä valitaan staattoriin 15 syötettävä jännite lyhyellä näytevälillä laskettavan jänniteintegraaliin perustuvan käämivuoestimaatin Tssu perusteella. Käämivuoestimaatti Ψ5511 määritetään integraalilauseen (1)

1+tJ

Ψ'™ = Ψ',„0 + J(w'v - RJ'.s)dt t avulla, missä Ψ*51ι0 on käämivuon alkuarvo, uss syötettävä jännite, iss määritetty 20 staattorivirta ja Rs staattorin resistanssi. Käämivuoestimaatin Ψε5υ kuvaaja . kompleksitasossa on väreinen ympyrärata, koska käämivuota säädetään tie- tyn hystereesirajan sisällä. Jos käämivuoestimaatti Ψ8511 on yhtä suuri todellisen staattorissa vallitsevan käämivuon Tss kanssa, on myös muodostuvan : : staattorivirran osoittimen iss ura origokeskeinen ympyrä. Virheellisen jännite- tai .:: 25 resistanssiestimaatin vuoksi todellinen käämivuo Ψδ8 voi kuitenkin kulkea esti-

< > I

maatin radasta poikkeavaa rataa.

Integraaliin perustuvaa estimaattia stabiloimaan käytetään koneen virtamalliin perustuvaa estimaattia Tssest (2) /: Ψ'«« = /(/(^,(^),...,/^),/,,^/(^ 30 missä 1^(0,), l_2(0r),..., Ln(0r) ovat staattorikäämivuohon vaikuttavat induktans- * · · sit, 0r on roottorin kulma ja Tf(0r) staattorivirrasta riippumaton roottorin aiheuttama käämivuo, kuten esimerkiksi vierasmagnetointi tai kestomagneetit. Malli-en muodostamia käämivuoestimaatteja verrataan toisiinsa ja ero päivitetään : "· jännitemallin tuottamaan estimaattiin. Kuten kaavasta (2) ilmenee, tahtiko- 35 neessa virtamalliin tarvitaan tieto roottorin kulmasta staattorikoordinaatistossa.

3 109847

Jos pulssienkooderilta tai absoluuttianturilta saatava kulma on virheellinen, on myös käämivuoestimaatti virheellinen, josta seuraa, että myös jännitemalliin tehtävä päivitys on virheellinen. Vaikka edellä kuvaillulla tunnetulla tavalla staattorivuon suuruudesta saadaan luotettava arvio, niin roottorin kulmavir-5 heen ollessa merkittävä, käytön momentti- ja nopeussäädön tarkkuus kärsii merkittävästi.

Keksinnön lyhyt selostus Tämän keksinnön tarkoituksena on aikaansaada menetelmä, joka välttää edellä mainitut epäkohdat ja mahdollistaa tahtikoneen roottorikulman 10 tarkan estimoimisen ja siten tahtikonekäytön luotettavan ja tarkan ohjauksen. Tämä tarkoitus saavutetaan keksinnön mukaisella menetelmällä, jolle on tunnusomaista, että menetelmä käsittää lisäksi vaiheet, joissa määritetään kulman korjaustermi määritettyihin staattorivoihin perustuen, ja 15 summataan kulman korjaustermi määritettyyn tahtikoneen roottori- kulmaan roottorikulmaestimaatin aikaansaamiseksi.

Keksinnön mukainen menetelmä perustuu siihen ajatukseen, että roottorikulmalle saadaan tarkka arvio, kun määritettyyn roottorikulmaan lisätään korjaustermi 0k, joka on suhteutettu tahtikoneen virta- ja jännitemalleista 20 määritettyjen staattorivoiden pitkittäiskomponenttien erotukseen.

: Keksinnön mukainen menetelmä aikaansaa yksinkertaisilla operaa- tioilla luotettavan arvion todellisesta tahtikoneen roottorin asentokulmasta, joka on tärkeää tahtikoneen tarkan säädettävyyden saavuttamiseksi. Menetelmä on • : lisäksi yksinkertaisuutensa vuoksi helposti realisoitavissa, jolloin menetelmän 25 vuoksi ei tarvita ylimääräisiä mittaus- tai parametritietoja.

Kuvioiden lyhyt selostus

Keksintöä selostetaan nyt lähemmin edullisten suoritusmuotojen ; yhteydessä, viitaten oheisiin piirroksiin, joista:

Kuvio 1 esittää keksinnön mukaista menetelmää lohkokaaviokuva- . 30 na,ja

Kuvio 2 esittää keksinnön mukaisen menetelmän liittymisen muuhun tahtimoottorikäyttöön.

4 109847

Keksinnön yksityiskohtainen selostus

Kuvion 1 mukaisesti tahtikoneen virtamalliin 1 perustuvassa tahti-koneen staattorikäämivuon estimoinnissa tarvitaan parametritietoina arviot staattorikäämivuohon vaikuttavien induktanssien L1( L2>..., Ln suuruuksista.

5 Kyseiset induktanssien suuruudet muuttuvat roottorin asentokulman ΘΓ muuttuessa, kun tilannetta tarkastellaan paikallaan olevasta koordinaatistosta. Lisäksi parametritietona tarvitaan staattorivirrasta riippumaton roottorin aiheuttama käämivuo Tf, jollainen on esimerkiksi roottorin vierasmagnetointi tai kestomagneetit. Myös roottorin aiheuttama käämivuo Ψ, muuttuu stationääri-10 sestä koordinaatistosta tarkasteltuna roottorin asentokulman muuttuessa. Koska staattorikäämivuo on lisäksi riippuvainen staattorivirrasta iss, tulee virran suuruus myös määrittää. Tahtikoneen virtamallilla voidaan siis määrittää staattorikäämivuon estimaatti Ψ8^,, joka on funktio edellä mainituista muuttujista.

15 Staattorikäämivuo voidaan määrittää myös tahtikoneen jännitemal- liin 2 perustuen. Jännitemallissa staattorissa vaikuttavaa jännitettä integroidaan, jolloin saadaan aikaiseksi jännitemalliin perustuva estimaatti Ψ®811.. Staattorissa vaikuttavan jännitteen suuruus saadaan, kun staattorin käämeihin kytkettävistä jännitteistä vähennetään staattorikäämien resistansseista aiheu-20 tuva jännitehäviö, joka syntyy virran kulkiessa käämeissä. Jännitemallissa tarvitaan parametritietona staattorikäämien resistanssin suuruudet sekä alkuarvo staattorikäämivuon suuruudesta. Moottorin suoraan vääntömomentinsäätöön ;V perustuvissa moottorinohjausmenetelmissä on periaatteena valita moottoriin syötettävä jännite lyhyellä näytevälillä laskettavan jänniteintegraaliin perustu- : ' 25 van käämivuoestimaatin perusteella. Kahdella eri tavalla saatuja eli virta- ja • * , v jännitemalliin perustuvia staattorikäämivuoestimaatteja käytetään lähtökohtana V ; roottorin asentokulman minimoinnissa ja staattorikäämivuon stabiloinnissa.

Stabilointi toteutetaan siten, että eri malleilla saatuja estimaatteja vertaillaan ja i mahdollinen ero päivitetään jännitemallin estimaattiin.

: 30 Keksinnön mukaisen menetelmän mukaisesti määritettyjen staatto- rivoiden perusteella määritetään kulman korjaustermi, joka summataan mitat-’’ tuun roottorikulman estimaattiin. Keksinnön edullisen suoritusmuodon mukai- :·.·* sesti kulman korjaustermin määrittämisessä molemmat määritetyt staattori- /·.· käämivuoestimaatit muunnetaan estimoituun roottorikoordinaatistoon. Kuvion * » 35 1 virtamallilohko 1 käsittää koordinaatistomuunnoksen suorittavan elimen, jol loin virtamallilohkon ulostulona on estimoidussa roottorikoordinaatistossa ole- 5 109847 va staattorivuoestimaatti ΨΓ8β8ΐ. Jännitemallin 2 ulostulona saatava staattori-koordinaatistossa oleva staattorivuoestimaatti Ψδ8υ, muunnetaan estimoituun roottorikoordinaatistoon koordinaatistonmuunnoselimellä 4. Jotta vuoestimaatit voidaan muuttaa estimoituun roottorikoordinaatistoon, tulee tiedossa olla 5 roottorin asentokulma. Asentokulmana käytetään mittaustietona roottoriin liitetyltä kulma-anturilta saatavan roottorikulman ΘΓ ja keksinnön mukaisen menetelmän avulla määritettävän kulman korjaustermin 0k tai kulman korjauster-min alkuarvon summaa.

Molemmilla keksinnön mukaisilla menetelmillä määritetyt staattori-10 käämivuoestimaatit ovat vektorisuureita. Menetelmän mukaisesti virtamallin perusteella määritetystä staattorikäämivuosta ΨΓ8β8ί vähennetään jännitemallin perusteella määritetty staattorikäämivuoestimaatti Ψ5511.. Kuvion 1 mukaisesti käämivoiden välinen erotus aikaansaadaan summainelimellä 3, jonka positiiviseen sisääntuloon on yhdistetty virtamalliin perustuva estimaatti ja negatiivi-15 seen sisääntuloon jännitemalliin perustuva estimaatti. Summauselimen 3 ulostulona eli mainittujen estimaattien erotuksena saatava staattorivuon erosuure ΔΨΓ8 on edelleen yhdistetty muunnoselimen 6 ja koordinaatiston-muunnoselimen 5 sisääntuloon.

Summainelimeltä 3 saatava erosuure ΔΨΓ8 on edelleen vektorisuu-20 re, joka käsittää reaalisen ja imaginaarisen komponentin. Muunnoselin 6 poistaa erosuureesta ΔΨΓ5 imaginaariosan, jolloin jäljelle jää ainoastaan erosuureen reaaliosa ΔΨ5φ joka vastaa virta- ja jännitemallien käänrcivuoesti-• : : maattien pitkittäiskomponenttien erotusta estimoidussa roottorikoordinaatis- *.: tossa.

25 Muunnoselimen 6 ulostulo on yhdistetty kerroinelimen 8 sisääntu- Y: loon. Kerroinelimellä 8 skaalataan erosuureen reaaliosa ΔΨ5() kertomalla se :Y: vakiosuuruisella kertoimella k, jolloin kerroinelimen ulostuloon saadaan vah vistettu erosuure. Kerroinelimen 8 ulostulosta saatava vahvistettu erosuure summataan summainelimellä 9 kulman korjaustermin edelliseen arvoon 0k(n-1) 30 kulman korjaustermin uuden arvon 0k(n) aikaansaamiseksi. Kulman korjaus- t termiä käytetään roottorin asentokulman määrittämiseen summaamalla korja-ustermi kulmaa määrittävältä mittauselimeltä saatavaan roottorikulmaan 0e8t. Näin aikaansaatava korjattu arvio roottorin asentokulmasta 0n on tarkka ja mahdollistaa tahtikoneen ohjaamisen aikaisempaa luotettavammin.

‘ 35 Keksinnön menetelmän edullisessa suoritusmuodossa määritetään lisäksi korjattu staattorivuo Ψ*8ϋ summaamalla summainelimellä 7 jännitemalliin 6 109847 perustuvaan staattorivuohon Tssu. staattorikoordinaatistoon muunnettu staatto-rivuon erosuure ΔΨ%. Staattorivuon erosuure muunnetaan staattorikoordinaatistoon koordinaatistonmuunnoselimellä 5, ja muunnoksessa käytetään mittaustietona saatavan roottorikulman ja kulman korjaustermin summaa. Summai-5 nelimeltä 7 saatavaa korjattua staattorivuota Ψ$811 käytetään tahtikoneen säätöön kuvion 2 esittämällä tavalla.

Keksinnön mukaista menetelmää voidaan käyttää edellä kuvaillulla tavalla tahtikoneen käytön aikana, jolloin kulman korjaustermiä määritetään jatkuvasti. Keksinnön edullisen suoritusmuodon mukaisesti menetelmää voi-10 daan käyttää myös identifioimaan tarvittava kulmakorjaus ennen varsinaista koneen hyötykäyttöä. Tällöin yhdellä tai useammalla tahtikoneen kulmanopeudella määritetään keksinnön mukaisesti kulman korjaustermi. Määritetyistä korjaustermeistä voidaan tämän jälkeen määrittää kaikkiin muihin koneen kulmanopeuksiin liittyvät korjaustermit. Määritetyt muihin kulmanopeuksiin liittyvät 15 korjaustermit tallennetaan siten, että tahtikoneen pyöriessä jollain kulmanopeudella oikea korjaustermi on lisättävissä mitattuun asentokulmaan. Tällä tavoin saadaan aikaiseksi luotettava ja yksinkertainen roottorin asentokulman määritys. Kaikkiin nopeuksiin liittyvien korjaustermien määritys yhden tai useamman menetelmän mukaisesti määritetyn korjaustermin perusteella voidaan tehdä 20 siitä syystä, että virheen aiheutumisperiaatteesta johtuen virhe asentokulmassa on kulmanopeuden suhteen lineaarinen. Tällöin määritettyjä korjaustermejä interpoloimalla saadaan kaikkiin mahdollisiin kulmanopeuksiin liittyvät korja-. i : ustermit.

Y Kuvion 2 esittämän periaatteellisen esityksen mukaisesti kulmavir- 25 heen minimointi ja käämivuon laskenta suoritetaan lohkossa 13. Kuvio 2 esit-Y: tää kulmavirheen minimoinnin liittymisen muuhun moottorin säätöjärjestel- ; mään. Kuviossa esitetty menetelmä käyttää suoraan moottorin vääntömomen- tin säätöön liittyvää säätöratkaisua. Kulmavirheen minimointilohko 13 saa sisääntuloinaan tiedot käytettävästä jännitteestä, staattorivirtojen suuruuden se-30 kä mittaustiedon kulma-anturilta. Parametritietoina saadaan myös koneen induktanssien suuruudet. Kulmavirheen minimointilohkon ulostulona on staatto-·· rikäämivuo, joka on korjattu keksinnön mukaista minimointimenetelmää käyt- täen.

: Moottorin akselilla vaikuttava vääntömomentti Te lasketaan momen- ' 35 tin laskentalohkossa 14 mitattuihin staattorivirtoihin ja lohkon 13 ulostulona saatavaan staattorikäämivuohon perustuen. Sekä moottorin kehittämää 7 109847 vääntömomenttia Te, että käämivuota Tssu(n) verrataan vastaaviin ohjearvoihin Teref ja Ψ5Γβί erosuureiden aikaansaamiseksi. Säätölohkossa 15 käämivuota ja vääntömomenttia säädetään staattorikäämivuon ja vääntömomentin ylläpitämiseksi. Säätölohkon ulostulon perusteella optimikytkentätaulukosta valitaan 5 kulloiseenkin tilanteeseen sopivat jänniteohjeet ohjaamaan moottorin staattori-käämeihin yhdistetyn vaihtosuuntaajan 11 kytkimiä siten, että halutut staattori-vuon ja vääntömomentin arvot saavutetaan.

Alan ammattilaiselle on ilmeistä, että tekniikan kehittyessä keksinnön perusajatus voidaan toteuttaa monin eri tavoin. Keksintö ja sen suoritus-10 muodot eivät siten rajoitu yllä kuvattuihin esimerkkeihin vaan ne voivat vaihdella patenttivaatimusten puitteissa.

Claims (4)

109847 Patentti vaati m u kset

1. Menetelmä tahtikoneen roottorikulmaestimaatin virheen minimoimiseksi, joka käsittää vaiheet, joissa määritetään tahtikoneen staattorivuo (Ψ83β3{) tahtikoneen virtamalliin 5 perustuen, määritetään tahtikoneen staattorivuo (Ψ85υ.) jänniteintegraaliin ja staattorivuon alkuarvoon (Ψδ8υ(η-1)) perustuen, ja määritetään tahtikoneen roottorikulma (0est(n)), tunnettu siitä, että menetelmä käsittää lisäksi vaiheet, joissa 10 määritetään kulman korjaustermi (0k(n)) määritettyihin staattorivoihin (nest. nu) perustuen, ja summataan kulman korjaustermi (0k(n)) määritettyyn tahtikoneen roottorikulmaan (0est(n)) roottorikulmaestimaatin (0(n)) aikaansaamiseksi.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, 15 että kulman korjaustermin määrittäminen käsittää lisäksi vaiheet, jossa muunnetaan molemmat määritetyt staattorivuot estimoituun rootto-rikoordinaatistoon käyttämällä koordinaatistomuunnoksessa määritetyn rootto-rikulman (0est(n)) ja kulman korjaustermin alkuarvon (0k(n-1)) summaa, vähennetään virtamalliin perustuvasta estimoituun roottorikoordi-20 naatistoon muunnetusta staattorivuosta (ΨΓ3β3() jännitemalliin perustuva esti-’ ’· moituun roottorikoordinaatistoon muunnettu staattorivuo (Tr3u) staattorivuon ::: erosuureen (ΔΨ^) aikaansaamiseksi, otetaan staattorivuon erosuureesta (ΔΨΓ5) reaaliosa (ΔΨ8ά), kerrotaan staattorivuon erosuureen reaaliosa (ΔΨ^) vahvistusker-•, ·. 25 toimella (k) vahvistetun erosuureen aikaansaamiseksi, ja · ,·. summataan vahvistettu erosuure kulman korjaustermin alkuarvoon ' (0k(n-1)) päivitetyn kulman korjaustermin (0k(n)) aikaansaamiseksi.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu ‘: siitä, että menetelmä käsittää lisäksi vaiheen, jossa 30 määritetään korjattu staattorivuo (Ψ58υ(η)) summaamalla integroituun ·.. staattorivuohon (Ψδ8υ) staattorikoordinaatistoon muunnettu staattorivuon ··. erosuure (ΔΨδ8), jolloin korjattua staattorivuota (Ψ88υ(η)) käytetään seuraavana staattorivuon alkuarvona staattorivuon jänniteintegraalin määrityksessä.

• ; 4. Patenttivaatimuksen 1, 2 tai 3 mukainen menetelmä, t u n - 35. e 11 u siitä, että menetelmä käsittää vaiheet, joissa 109847 g määritetään yhdellä tai useammalla moottorin kulmanopeudella kulman korjaustermi (0k), muodostetaan ja tallennetaan yhdellä tai useammalla moottorin kulmanopeudella määritetyistä kulman korjaustermeistä (0k) muihin kulmano-5 peuksiin liittyvät korjaustermit, valitaan tahtikoneen käytön aikana kulmanopeudesta riippuva kulman korjaustermi, ja summataan valittu kulman korjaustermi määritettyyn roottorikul-maan roottorikulmaestimaatin aikaansaamiseksi. 10 1 · i · 109847