FI112300B - Menetelmä ja laite synkronisen kestomagneettimoottorin ohjaamiseksi - Google Patents

Description

1 112300

MENETELMÄ JA LAITE SYNKRONISEN KESTOMAGNEETTIMOOTTORIN OHJAAMISEKSI

Keksinnön kohteena on patenttivaatimuksen 1 johdanto-osassa esitetty menetelmä ja patenttivaatimuksen 4 johdan-5 to-osassa esitetty laite synkronisen kestomagneettimoottorin ohjaamiseksi.

Eräissä ratkaisuissa synkronista kestomagneettimoot-toria säädetään vektorisäätäjällä. Tällöin säätäjä muuntaa moottorin ohjaussuureet, kuten virran ja jännitteen vektori-10 muotoisiksi suureiksi d,q-koordinaatistoon, joka pyörii roottorin mukana. Vektorisäädössä voidaan jokainen ohjaussuure ilmaista kahden toisiinsa nähden kohtisuoran komponentin avulla. Vektorisäätäjä tarvitsee toimiakseen moottorin paikkatiedon, todellisen tiedon roottorin kulmasta staattoriin 15 nähden. Mikäli paikkatieto on virheellinen, kuluttaa moottori tarpeettomasti energiaa. Pahimmassa tapauksessa seurauksena voi olla järjestelmän rikkoutuminen.

Tunnetun tekniikan mukaisesti roottorin asento voidaan lukea akselin päästä jollakin siihen soveltuvalla lait-20 teella, kuten resolverilla. Resolveri tarkkailee roottorin asentoa akselilta ja antaa paikkatiedon esimerkiksi digitaalisessa muodossa.

Erityisesti hisseissä käytettävien kestomagnetOltujen tahtimoottorien yhteydessä, joissa vetävä köysipyörä on 25 integroitu roottoriin, on erityisen hankalaa sovittaa paikka-:j.' tiedon antava laite akselin yhteyteen. Lisäksi tällainen lai- : te aiheuttaa valmistuskustannuksia ja lisää omalta osaltaan hissi järjestelmän vioittumisherkkyyttä.

.···. Esillä olevan keksinnön tarkoituksena on poistaa tai ,···. 30 ainakin merkittävästi vähentää edellä kuvattuja ongelmia. Li säksi keksinnön tarkoituksena on tuoda esiin uudenlainen menetelmä ja laite, joilla muodostetaan roottorin paikkatieto ’···' vektorisäätäjälle ilman erillistä resolveria käyttäen järjes- telmän muita mittaustietoja.

• '•t§ 35 Keksinnölle tunnusomaisten seikkojen osalta viita- .···. taan vaatimusosaan.

Esillä olevan keksinnön kohteena on menetelmä synk- ··.: ronisen kestomagneettimoottorin ohjaamiseksi vektorisäätäjäl- » ·“·’ la, jolla säädetään moottorin momenttia roottorin mukana pyö- 2 112300 rivässä d,q-koordinaatistossa. Keksinnön mukaisessa menetelmässä ohjauksen takaisinkytkentä järjestetään siten, että vektorisäätäjän Ud-komponenttia säädetään kohti jännitekompo-nenttia jcoLIq, jolloin 5 Ud = d-akselin suuntainen napajännite, L = moottorin käämien magnetointi-induktanssi,

Iq = q-akselin suuntainen virta, ja CO = Iq-virtavektorin pyörimisnopeus = Vroottor. + Veitimaattor..

Tunnetusti paikkatieto on johdettavissa nopeuden in-10 tegraalista. Eräässä keksinnön edullisessa sovelluksessa integroidaan takosignaalia vektorisäätäjän paikkatiedon muodostamiseksi. Takosignaali saadaan takometrin ulostulona. Takosignaalia käytetään edullisesti hissisovelluksissa hissikorin nopeustiedon muodostamiseen. Eräässä sovelluksessa takaisin-15 kytkennän polariteetti asetetaan moottorin ajokäskyn mukaan. Esimerkiksi hissikäytössä polariteetti asetetaan sen mukaan, painaako käyttäjä hissiä ylös- vai alaspäin ohjaavaa nappia. Takaisinkytkennän korjaussuunta riippuu moottorin pyörimissuunnasta, joten näin voidaan varmistaa takaisinkytkennän oi-20 kea toiminta.

Lisäksi keksinnön kohteena on laite synkronisen kes-tomagneettimoottorin paikkatiedon muodostamiseksi vektorisää-täjään, johon on järjestetty välineet moottorin momentin säätämiseksi roottorin mukana pyörivässä d,q-koordinaatistossa.

. : : 25 Keksinnön mukaiseen laitteeseen kuuluu ohjauksen takaisinkyt- ; kentä, joka on järjestetty siten, että vektorisäätäjän Ud- . .*. komponentti säätyy jännitekomponentin jcoLIq suuntaan.

Eräässä keksinnön edullisessa sovelluksessa laittee-... seen kuuluu kompensointipiiri, jota käytetään takai s inky tken- 30 nän toteuttamiseen. Kompensointipiiriin kuuluu ensimmäinen ···' summainpiiri, johon on kytketty Ud-jännitekomponentin tieto ja jännitekomponentin jcoLIq tieto. Lisäksi kompensointipii-

» · I

riin kuuluu ensimmäinen integraattori, jolla integroidaan '...· summainpiirin ulostuloa. Eräässä sovelluksessa kompensointi- :·, 35 piiriin kuuluu välineet takaisinkytkennän polariteetin aset- ..._ tamiseksi moottorin valitun ajosuunnan mukaan.

Erääseen keksinnön mukaiseen laitteeseen kuuluu toi-nen integraattori, jolla integroidaan takosignaalia. Eräässä :**: sovelluksessa laitteeseen kuuluu toinen summainpiiri, johon 3 112300 on yhdistetty takosignaalin integraattorin ulostulo ja kom-pensointipiirin ulostulo, jolloin toisen suitimainpiirin ulostulona saadaan kestomagneettimoottorin paikkatieto.

Eräässä sovelluksessa laitteeseen kuuluu välineet 5 kulmatiedon muodostamiseksi. Näihin kuuluu välineet tasavir-ran syöttämiseksi moottoriin, jolloin roottori hakeutuu tunnettuun stabiiliin kohtaan, sekä välineet stabiilin kohdan kulmatietoon lisättävän kulmaeron χ muodostamiseksi kuorma-tiedon perusteella.

10 Keksinnön etuina tunnettuun tekniikkaan verrattuna on, että keksinnön avulla saadaan vektorisäätäjälle oikea paikkatieto ilman erikseen roottorin akselilta paikkatietoa mittaavaa laitetta, jolloin keksintö alentaa valmistuskustannuksia. Lisäksi erityisesti ns. konehuoneettomien hissijär-15 jestelmien yhteydessä keksintö mahdollistaa vapaamman rakennesuunnittelun, koska roottorinakselilta ei tarvitse varata tilaa paikkatietoa mittaavalle laitteelle.

Seuraavassa keksintöä selostetaan oheisten suoritus-esimerkkien avulla viittaamalla oheiseen piirustukseen, jossa 20 kuva 1 esittää kaaviomaisesti erästä keksinnön mu kaista järjestelmää; kuva 2 esittää esimerkinomaisesti erästä osoitin-diagrämmiä; kuvat 3a ja 3b esittävät kaaviomaisesti eräitä so-. 25 velluksia keksinnön mukaisesta laiteesta; ja : ;\· kuva 4 esittää moottorin momenttikäyrää roottorin . .·. asennon funktiona.

• · »

Kuvassa 1 on esitetty eräs keksinnön mukainen jär- * » ... jestelmä, joka voidaan toteuttaa esimerkiksi hissijärjestel- * · ;;; 30 mien yhteyteen. Synkronoitu kestomagneettimoottori 21 saa *·’ kolmivaiheisen syöttö jännitteen Ur, Us, Ut vaihtosuuntaajalta 20. Syöttöjännitteistä mitataan vastaavat virrat Ir, Is, It, joista välitetään tieto koordinaatistonmuuntajalle 22. Koor-t>t·· dinaatistonmuuntaja 22 saa lisäksi keksinnön mukaisella lait- ;·* 35 teella, estimaattorilla 9 korjatun paikkatiedon. Estimaattori ‘...^ 9 saa paikkatiedon korjausta varten tiedon takometrilta 1.

Koordinaatistonmuuntajan 22 ulostulona ovat d,q-koordinaatistoon muunnetut virtatiedot, jotka on jaettu koor-·:··: dinaatiston pääakselin suuntaisiin komponentteihin Id, Iq.

4 112300

Virtatieto Id pyritään ohjaamaan nollaksi. Virtatietoon Iq yhdistetään myös moottorin nopeustieto 14, joka saadaan ulkoisen nopeusohjeen 15 ja nopeustakaisinkytkennän 13 perusteella. Momenttisäätäjä 23 muuntaa virtatiedon Iq vastaavaksi 5 jännitetiedoksi Uq; Id-säätäjän 23' ulostulo on vastaavasti nolla. Muuntajakomponentissa 24 vektoroidut jännitetiedot Ud, Uq muunnetaan edelleen koImivaihejännitetiedoksi, joka välitetään vaihtosuuntaajalle 20. Muunnoksessa käytetään esti-maattorilla 9 korjattua paikkatietoa, toisin sanoen kulma-10 muunnoksessa käytetään korjattua paikkatietoa tarkastelukoor-dinaatistossa eli roottorin mukaan pyörivässä koordinaatistossa .

Kuvassa 2 on esitetty d,q-koordinaatisto ja eräitä moottorin säätöön liittyviä suureita vektorimuodossa. Kuvassa 15 on esitetty lähdejännite e, napajännite U, joka on jaettu komponentteihin Ud, Uq, sekä moottorissa jännitehäviötä aiheuttavat komponentit jiöLIq ja Rlq. Kuvassa esitetty d,q-koordinaatisto on moottoria ohjaavan säätäjän suuntainen, kun taas moottorin todellinen koordinaatisto d',q' poikkeaa tästä 20 virhekulman a verran. Moottorin säätöperiaatteen mukaisesti virran vektoriosoitin ohjataan säätäjän avulla q-akselin suuntaiseksi, jolloin julkaisussa W099/31793 esitetyn mukaisesti moottorista saadaan maksimimomentti minimivirralla. Vektorisäätäjän paikkatiedossa olevan kulman a suuruisen vir-. : .· 25 heen johdosta vektorisäätäjän d-suuntainen jännitekomponentti : Ud kuitenkin muuttuu arvosta jcoLIq. Moottoria pyöritettäessä . .*. jännitekomponentin Ud optimiarvo on yhtä suuri kuin häviökom- ponentin jö)LIq arvo. Iq on optimaalisen, e-vektorin suuntai-sen q-akselin suuntainen virtakomponentti ja siten Ud on e-30 vektoria vastaan kohtisuora jännitekomponentti. Häviökompo-···" nentti jCDLiq voidaan esittää myös Iq-virtakomponentin pyö rittämiseen tarvittavana d-akselin suuntaisena jännitekompo-,..· nenttina.

Kuvassa 3a on esitetty eräs sovellus keksinnön mu-:·. 35 kaisesta laitteesta eli estimaattorista 9. Estimaattori 9 saa takosignaalin takometriltä 1. Paikkatieto saadaan nopeuden integraalina, joten takosignaali integroidaan toisessa integ-raattorissa 2. Integraalia tulee kuitenkin korjata sopivalla ' kor jausteki jällä, joka saadaan estimaattoriin 9 kuuluvasta 5 112300 kompensointipiiristä 11. Kompensointipiirin 11 sisäänmenoina ovat jännitekomponentti Ud, 4 ja häviökomponentti jωLIq, 5. Sisäänmenot 4,5 kytketään ensimmäiseen summainpiiriin 6, jännitekomponentti Ud positiivisena ja häviökomponentti jtöLIq 5 negatiivisena. Häviökomponentin jtöLIq arvo saadaan moottorin ohjauksessa tarvittavista mittauksista; jto voidaan johtaa takosignaalin nopeustiedosta, Iq saadaan virran mittauksen ja koordinaatistomuunnoksen perusteella. Moottorin magnetointi-induktanssi L voidaan mitata staattorikäämeistä jollakin tun-10 netulla tekniikalla, esimerkiksi mittasiltaa käyttäen.

Ensimmäisen summainpiirin 6 ulostulo integroidaan ensimmäisessä integraattorissa 7. Kompensointipiirin 11 toiminta on riippuvainen moottorin valitusta ajosuunnasta. Niinpä tieto 12 moottorin 21 pyörimissuunnasta välitetään kompen-15 sointipiirin 11 vahvistinkomponentille 10, joka vaihtaa summainpiirin 6 ulostulon polariteetin tarpeen mukaan. Kompensointipiirin 11 ulostulo summataan takosignaalin integraaliin toisessa summainpiirissä 3. Toisen summainpiirin 3 ulostuloksi saadaan estimaattorin 9 ulostulo, toisin sanoen korjattu 20 kulmatieto 8 eli kulma β.

Sähkökatkoksen, alkukäynnistyksen tai vastaavien tilanteiden jälkeen moottorin säätöjärjestelmällä ei ole luotettavaa tietoa kulmasta. Estimaattori 9 pystyy korjaamaan kulmavirheen, mikäli se on pienempi kuin 180 sähkökulma-. 25 astetta. Tätä suuremmilla kulmavirheillä suoritetaan hissillä ; korjausajo, jolla kulma voidaan säätää riittävällä tarkkuu- , .·. della oikeaksi. Kuvassa 4 on esitetty yksinkertaistettu moot- (ΐ’". torin 21 momenttikäyrä roottorin asennon funktiona. Kuvasta ... havaitaan moottorin momenttikäyrän olevan sinikäyrän muotoi- 30 nen. Moment tikäyrän nollakohdista joka toinen on stabiili ja '···* joka toinen labiili. Kun moottorin 21 käämeihin syötetään ta- savirtaa, pyrkii roottori hakeutumaan momenttikäyrän stabii-Iin nollakohtaan. Stabiilissa nollakohdassa roottorin magne-: tointivirran vektoriosoitin on staattorin kestomagneettien ;[ 35 magnetointiakselien suuntainen. Moottorikäytön kuormasta ja järjestelmän kitkoista johtuu, että roottorin asennon ja mo-';· mentin todellisen nollakohdan välille jää kulmaero χ. Hissi- käytössä kulmaero χ on suoraan verrannollinen hissin vaaka-;··; tietoon Wg.

6 112300

Kuvassa 3b on esitetty eräs toinen sovellus keksinnön mukaisesta laitteesta. Tällöin laitteeseen on lisätty välineet moottorin 21 kulmatiedon muodostamiseksi tilanteessa, jossa kulmatietoa ei ole. Välineillä 19 muodostetaan kulmaero 5 χ moottorin 21 kuormatiedon, hissikäytössä vaakatiedon Wg perusteella. Välineillä 18 moottoriin 21 syötetään tasavirtaa, jolloin roottori asettuu stabiilin kohdan läheisyyteen. Stabiili kohta tunnetaan ennalta kestomagneettien magnetointiak-selien suunnasta. Välineillä 17 muodostetaan kulmatieto, joka 10 lisätään kompensointipiirin 11 ulostuloon summainpiirillä 16.

Estimaattori 9 voidaan toteuttaa useilla eri tavoilla. Integraattorit 2, 7 ja summainpiirit 6, 3 on helppo toteuttaa sekä analogisena tai digitaalisena, jolloin sovellus voi olla erillisenä kytkentänä, ASIC-piirinä tai ohjelmalli-15 sena prosessorisovelluksena. Eräässä sovelluksessa paikkatie to 8 välitetään vektorisäätäjän koordinaatistonmuuntajalle 16-bittisenä lukusanana.

Häviökomponentin 5 negatiivisella takaisinkytkennäl-lä saadaan vektorisäätäjän paikkatieto oikeaksi moottorikäyt-20 töön riittävällä tarkkuudella; säädön tarkkuus paranee komponenttien ja sijaiskytkentöjen arvoja kalibroimalla. Lopputuloksena saadaan moottorin tasaisempi käynti, joka erityisesti hissikäytössä korostuu kasvaneena matkustusmukavuutena.

Keksintöä ei rajata pelkästään edellä esitettyjä so-25 vellutusesimerkkejä koskevaksi, vaan monet muunnokset ovat : mahdollisia pysyttäessä patenttivaatimusten määrittelemän ; keksinnöllisen ajatuksen puitteissa.

t · * » S » • · · * · · » · ♦ » » · * ·

Claims (8)

1. Menetelmä synkronisen kestomagneettimoottorin (21) ohjaamiseksi vektorisäätäjällä, jolla säädetään moottorin momenttia roottorin mukana pyörivässä 5 d,q-koordinaatistossa, tunnettu siitä, että järjestetään ohjauksen takaisinkytkentä (9) siten, että vektorisäätäjän Ud-komponenttia säädetään kohti jännitekompo-nenttia jiöLIq, jolloin Ud = d-akselin suuntainen napajännite,

10 L = moottorin käämien magnetointi-induktanssi, Iq = q-akselin suuntainen virta, ja ω = Iq-virtavektorin pyörimisnopeus.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, 15 että integroidaan takosignaalia (1) vektorisäätäjän paikkatiedon muodostamiseksi ja että näin saatua paikkatietoa korjataan korjaustermillä, joka muodostetaan Ud-komponentin ja jännitekomponentin avulla.

3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että korjaustermin polariteetti asetetaan moottorin (21) ajo-käskyn (12) mukaan.

4. Laite (9) synkronisen kestomagneettimoottorin (21) paikka- '*·* 25 tiedon muodostamiseksi vektorisäätäjään, johon on järjestetty välineet (22, 23, 24) moottorin momentin säätämiseksi rootto-rin mukana pyörivässä d, q-koordinaatistossa, tunnettu siitä, että laitteeseen (9) kuuluu: ohjauksen takaisinkytkentä, joka on järjestetty siten, » · · 30 että vektorisäätäjän Ud-komponentti säätyy kohti jännitekom-ponenttia jCDLIq, jolloin Ud = d-akselin suuntainen napajännite 0) = kulmanopeus, « ;* L = moottorin käämien magnetointi-induktanssi, ja : ’·· 35 Iq = q-akselin suuntainen virta.

5. Patenttivaatimuksen 4 mukainen laite, tunnettu siitä, että ' laitteeseen (9) kuuluu kompensointipiiri (11), johon kuuluu: 8 112300 ensimmäinen summainpiiri (6), johon on kytketty Ud-komponentin tieto (4) ja jännitekomponentin j(DLIq tieto (5); ja ensimmäinen integraattori (7), jolla integroidaan ensim-5 mäisen summainpiirin (6) ulostuloa.

6. Patenttivaatimuksen 5 mukainen laite, tunnettu siitä, että kompensointipiiriin (11) kuuluu välineet (10, 12) kompensoin-tipiirin ulostulosta saatavan polariteetin asettamiseksi va- 10 litun ajosuunnan mukaan.

7. Jonkin patenttivaatimuksista 4-6 mukainen laite, tunnettu siitä, että laitteeseen (9) kuuluu toinen integraattori (2) , jolla integroidaan takosignaalia (1). 15

7 112300

8. Jonkin patenttivaatimuksista 5-8 mukainen laite, tunnettu siitä, että laitteeseen (9) kuuluu toinen summainpiiri (3) , johon on yhdistetty toisen integraattorin (2) ulostulo ja kompensointipiirin (11) ulostulo, jolloin toisen summain- 20 piirin (3) ulostulona saadaan kestomagneettimoottorin (21) paikkatieto (8). . Λ 25 9 112300