FI112736B - Tahtikoneen säätöön liittyvä menetelmä - Google Patents

Description

112736

Tahtikoneen säätöön liittyvä menetelmä

Keksinnön tausta Tämän keksinnön kohteena on menetelmä tahtikoneen yhteydessä, jolloin tahtikoneen yhteyteen on sovitettu säätölaitteista, joka käsittää tahtiko-5 neesta laaditun virtamallin, menetelmän käsittäessä vaiheet, joissa määritetään tahtikoneen staattorin vaihevirrat, määritetään tahtikoneen staattorin vai-hejännitteet ja estimoidaan tahtikoneen roottorin asentokulma.

Tahtikoneita käytetään yleisesti moottoreina käyttökohteissa, joissa vaaditaan suurta tehoa ja luotettavaa käyttäytymistä laajalla nopeusalueella. 10 Suuritehoisia tahtimoottoreita ohjataan säädetysti käyttämällä syklokonvertte-reita tai muun tyyppisiä taajuusmuuttajia, jotka tuottavat tahtimoottorin staatto-rille toivotun jännitteen.

Tahtikoneen säätämiseksi luotettavalla tavalla, tulee tahtikoneen roottorin asentokulma tietää mahdollisimman tarkasti. Asentokulma on aikai-15 semmin tyypillisimmin määritetty käyttämällä asentokulman määrittämiseen tarkoitettua laitetta, kuten esimerkiksi resolveria tai pulssianturia. Asentokulma-anturi on kuitenkin mekaaninen ja käytössä kuluva komponentti, joka tulee asentaa ja johdottaa tarkoituksenmukaisella tavalla. Asentokulma-anturi on käytön kannalta kriittinen kohde, sillä moottorikäytöstä tulee käyttökelvoton 20 mikäli siihen kuuluva resolveri tai pulssianturi rikkoutuu tai vahingoittuu.

Tahtimoottorin roottorin asentokulma voidaan myös määrittää ilman asentokulma-anturia. Määritys voidaan perustaa tahtikoneen differentiaaliyhtälöistä muodostettuun moottorimalliin. Tällainen moottorimalli saa lähtötietoinaan mittaustiedot moottorin staattorille syötettävistä staattorivirroista ja rootto-25 rin magnetointivirrasta. Lisäksi malli tarvitsee toimiakseen moottorin parametrit, joita ovat esimerkiksi moottorin resistanssien ja induktanssien arvot. Moot-torimallia käytetään lisäksi useasti koneen ohjaamiseen. Mikäli moottorimal-lista saatava roottorin asentokulma ei ole oikea, aiheutuu myös koneen ohjaamisessa ja säätämisessä käytettäviin vuoyhtälöistä laskettaviin vuoesti-30 maatteihin virhettä. Virheellisesti laskettujen vuoarvojen vuoksi koneen säätäminen optimaalisella tavalla ei ole mahdollista.

Ongelmana anturittomissa käytöissä onkin moottorimallin aiheuttamat virheet, joiden myötä moottorimallin toiminta ei vastaa tilannetta todellisessa moottorissa. Erityisesti moottorimallin vuot eivät vastaa todellisia moot-35 torin voita johtuen moottorin todellisten induktanssien kyllästymisestä ja muista mallissa käytettävistä mahdollisesti epätarkoista parametriarvoista. Tämä ai- 2 112736 heuttaa edelleen vektorisuureiden keskipisteen siirtymisen niiden todellisesta keskipisteestä ja edelleen mallin virheellisen roottorin asentokulman todelliseen roottorin asentokulmaan nähden.

Keksinnön lyhyt selostus 5 Keksinnön tavoitteena on siten kehittää menetelmä, joka välttää edellä mainitut ongelmat ja mahdollistaa tahtikoneen ohjaamisen aikaisempaa luotettavammalla tavalla käyttäen samoja sähköisten suureiden mittauksia kuin aikaisemminkin. Tämä tarkoitus saavutetaan keksinnön mukaisella menetelmällä, jolle on tunnusomaista se, että menetelmä käsittää lisäksi vaiheet, 10 joissa muodostetaan estimaatit tahtikoneen staattorivuovektorikomponenteille määritetyistä tahtikoneen staattorin vaihevirroista ja estimoidusta roottorikul-masta tahtikoneen virtamallia käyttäen, muodostetaan estimaatit tahtikoneen staattorivuovektorikomponenteille määritetyistä vaihejännitteistä, verrataan muodostettuja staattorivuovektorien estimaatteja estimaattien vaihe-eroon ver-15 rannollisen suureen aikaansaamiseksi, ja säädetään roottorin asentokulman estimaattia vaihe-eroon verrannollisen suureen perusteella.

Keksintö perustuu siihen ajatukseen, että määrittämällä tahtikoneen staattorivuot käyttäen eri lähtötietoja voidaan mainittujen voiden vertaamisella saavuttaa vaihelukittu järjestelmä, joka löytää tahtikoneen roottorin asento-20 kulman ja tuottaa tällöin säädölle napakulman oikean arvon.

Keksinnön mukaisen menetelmän etuna on saavutettava tahtikoneen sähköistä tilaa kuvaavien suureiden luotettavuus, jolloin koneen säätö ja ohjaaminen voidaan perustaa luotettavasti voiden arvoihin. Lisäksi menetelmä mahdollistaa tahtikoneen ohjaamisen luotettavalla tavalla ilman mekaanista 25 pyörimisnopeuden anturia.

Kuvioiden lyhyt selostus ': Keksintöä selostetaan nyt lähemmin edullisten suoritusmuotojen yhteydessä, viitaten oheiseen piirrokseen, jossa: ;v. Kuvio 1 esittää keksinnön mukaisen menetelmän lohkokaavioesi- ,· , 30 tystä.

Keksinnön yksityiskohtainen selostus : Kuviossa 1 on esitetty keksinnön mukaisen menetelmän lohkokaa- . vio. Tahtikonetta ohjataan ohjauslaitteella, kuten syklokonvertterilla tai taa- ; juusmuuttajalla, joka sisältää tehokytkimet. Ohjauslaitteen tehokytkimillä tuo- 3 112736 tetaan säätömenetelmän mukaisesti jännitettä tai virtaa koneen staattorin napoihin koneen ohjaamiseksi tarkoituksen mukaisella tavalla. Keksinnön mukaisesti koneen staattorivirtojen suuruudet mitataan. Tyypillisesti tahtikoneissa on kolmivaiheinen käämitys ilman nollajohdinta, jolloin kahden vaiheen virran 5 mittaaminen riittää kaikkien kolmen vaiheen virtojen määrittämiseen.

Edelleen koneen staattorille syötettävät jännitteet määritetään. Jännitteiden määrittäminen voidaan toteuttaa ohjauslaitteen yhteydessä tai mittaamalla jännite suodaan tahtikoneen staattorin navoista. Mittaustiedot virroista ja jännitteistä tarvitaan tyypillisesti riippumatta tahtikoneen ohjaus tai 10 säätötavasta.

Määritetyt staattorijännitteet uUl uv, uw muunnetaan (1) komponent-timuotoon, jolloin kolmivaiheinen staattorijännite voidaan esittää kahden komponentin ua, Up yhdistelmänä. Sähköisen suureen, kuten jännitteen muuntaminen komponenttimuotoon tarkoittaa käytännössä avaruusvektorin muodosta-15 mistä kyseisestä suureesta, ja tämän avaruusvektorin suorakulmaisten komponenttien erottamista toisistaan. Toisin sanoen esimerkiksi avaruusvektori-suureen b kaksiakselimallin komponentit ba ja bp saadaan määritettyä siten, että a - komponentti on vektorin b reaaliosa ja β - komponentti vastaavasti vektorin b imaginaariosa. Vastaavalla tavalla avaruusvektori voidaan konstru-20 oida kaksiakselimallin komponentista b = ba + jbp.

Vaihejännitteiden muuntaminen vaihesuureista kaksiakselimallin a ja β komponenteiksi voidaan suorittaa matriisimuodossa esitetyllä kaavalla Γι -1 -1] r Ί 2 2 Γ Ί

U Jr —_ M

“ 2 V3 V3 u„ =— 0 —--u (1) p 3 2 2 u0 J 2 _1 _1 \uw_ 2 2 2 25

Kaava (1) huomioi myös mahdollisen jännitteen nollakomponentin Uo, jota kuitenkaan ei tarvita menetelmässä.

Staattorivirtojen mittaustiedot syötetään kuviossa 1 esitetyllä tavalla tahtikoneesta muodostettuun virtamalliin 2. Virtamalli tuottaa eräinä ulostuloi-: 30 naan kaksikomponenttiseen muotoon muutetut staattorivirrat ia ja ip. Staattori virtojen muuttaminen kaksikomponenttimuotoon tapahtuu vastaavalla tavalla 4 112736 kuin on aikaisemmin kuvailtu staattorijännitteiden yhteydessä. Edellä esitetyt jännitteen ja virran a-ja β - komponentit on esitetty staattorikoordinaatistossa.

Koska tahtikoneen parametreistä on tiedossa staattoriresistanssi Rs, voidaan määritetyistä staattorijännitteistä vähentää resistiivisten häviöiden 5 vaikutus. Resistiivisten häviöiden suuruus saadaan laskettua yksinkertaisesti kertomalla staattoriresistanssilla Rs staattorivirtojen suuruudet. Nämä kertolaskut suoritetaan kuvion 1 kertolaskulohkoissa 3 ja 4.

Koska staattorivirrat on muutettu samaan koordinaatistoon staattorijännitteiden kanssa, voidaan virtojen aiheuttamat resistiiviset häviöt vähentää 10 staattorijännitteistä. Tämä vähentäminen tapahtuu kuvion 1 suoritusmuodossa vähennyslohkoissa 5 ja 6. Vähennyslaskun tuloksena saadaan se jännitteen arvo, joka tuottaa staattoriin staattorivuota.

Jännitteen tuottamat staattorivuon komponentit lasketaan keksinnön mukaisesti integroimalla 7, 8 edellä laskettuja jännitteitä. Tunnetulla ta-15 valla jännitteen integraalilauseke muodostaa vuon, jolloin lohkojen 7 ja 8 ulostulo toteuttaa lausekkeen Ψα,β = (2) 20 Kuviossa 1 lohkossa 7 lasketaan staattorivuon a - komponentti ψα ja lohkossa 8 vastaavasti staattorivuon β - komponentti ψβ. Kuten edellä on mainittu, saadaan komponenttimuodossa olevista suureista yksinkertaisella tavalla muodostettua myös avaruusvektori kyseisestä suureesta.

Esitetyllä tavalla laskettu staattorivuo on suuruudeltaan oikea, mutta 25 tunnetulla tavalla se muodostuu epätarkaksi esimerkiksi vuon keskipisteen siirtymisen ja integraaliin laskennallisista syistä tulevan virheen vuoksi. Koska vuota käytetään tunnetulla tavalla koneen säätämiseen, tulee vuon arvo pystyä korjaamaan mahdollisimman oikeaksi säädön luotettavuuden takaamiseksi. Vuon keskipisteen korjaamiseen voidaan käyttää syklokonverttereiden yh-30 teydessä esimerkiksi jänniteintegraalin amplitudin rajoittamista tai jotain muuta menetelmää.

Kuten aikaisemmin mainittiin, tahtikoneesta on laadittu virtamalli 2. Virtamallin avulla tahtikoneen sähköinen tila määritetään mahdollisimman tarkasti käyttäen lähtötietoina virtojen määritettyjä arvoja. Tahtikoneesta laadittu 35 malli sisältää parametriarvot koneen induktansseista ja resistansseista. Malli : on laadittu kuvaamaan tahtikoneen tilaa niin staattisissa kuin dynaamisissakin 5 112736 tiloissa. Useat tahtikoneen induktanssiarvot riippuvat voimakkaasti roottorin kulmasta λ staattoriin nähden, jolloin koneesta laadittu virtamalli tarvitsee tiedon roottorin asentokulmasta.

Staattorivirtojen mittaustiedot johdetaan virtamalliin keksinnön mu-5 kaisesti ja virtamallin ulostuloina saadaan estimaatit koneen staattorivoista ψ,εΐ, ψίη. Kuviossa 1 on esitetty, kuinka virtamallista saatavat vuon arvot on esitetty synkronisessa dq - koordinaatistossa, eli koordinaatistossa, joka pyörii tahtikoneen roottoriin kiinnitettynä. Tällöin saatavat vuoestimaatit ovat tasasuurelta, ja näin ollen niitä on yksinkertainen käyttää esimerkiksi koneen säätämiseen.

10 Kuviossa 1 esitetyllä tavalla dq-koordinaatistossa esitetyt vuoesti maatit \|/id ja ψ,ς muunnetaan staattorikoordinaatistoon muunnoslohkolla 9. Koordinaatiston muuntamiseen tarvitaan tieto tai estimaatti koordinaatistojen välisestä kulmasta, eli tässä tapauksessa roottorin asennosta λ staattoriin nähden. Vaikkakin koordinaatistonmuunnoslohko 9 on esitetty virtamallista 2 15 erillisenä lohkona, voidaan muunnos toteuttaa sisällettynä virtamalliin, sillä virtamalli saa saman arvon tai estimaatin staattorin ja roottorin välisestä asentokulmasta. Koordinaatistonmuunnoslohkon 9 ulostuloina saadaan virta-mallista laaditut staattorivuoestimaatit ψία, ψ,β.

Koordinaatistonmuunnoksen 9 jälkeen sekä jänniteintegraalin pe-20 rusteella laskettu staattorivuo ψα, ψβ että virtamallin perusteella saatu staatto-rivuo ψία, ψ,β ovat samassa koordinaatistossa, jolloin näiden voiden tulisi vastata toisiaan. Keksinnön mukaisesti määritettyjä voita, ja erityisesti näiden vaiheita verrataan toisiinsa. Vaiheiden vertaaminen suoritetaan edullisesti laskemalla voiden välinen ristitulo. Vektorimuodossa esitettynä staattorivuot ovat 25 muotoa = ψα + jvKp ja J&i = ψία + ίψΐβ, jolloin ristitulon lauseke on yksinkertaisesti yk x y/s\ = ψαψίβ - ψβψία- Kahden vektorin välinen ristitulo kuvaa vektoreiden välistä kulmaeroa, eli tässä tapauksessa eri tavoin laskettujen staattori-vuovektoreiden vaihe-eroa. Mikäli ristitulo-operaation tulos on nolla, ovat vektorit täsmälleen saman suuntaiset, mikä on toivottu tulos.

30 Staattorivoiden välisen ristitulon tulos syötetään keksinnön mukai- sesti säätäjän 11 sisääntuloon. Säätäjä 11 on tyypiltään normaali PID- säädin, jonka parametriarvot voidaan määrittää tarkoitukseen sopivalla tavalla.

Säätäjän 11 ulostulo integroidaan integraattorilla 12, jolloin integ-raattorin ulostuloa λ käytetään estimaattina roottorin asentokulmalle. Kyseinen 35 estimaatti syötetään keksinnön mukaisesti kuvion 1 esittämällä tavalla virta-malliin 2 ja koordinaatistonmuunnoselimelle 9. Virtamallin 2 ja muunnoselimen 6 112736 9 kautta säätäjän 11 ulostulo vaikuttaa ristituloelimen 10 ulostuloon, ja pyrkii nollaamaan mainitun ulostulon, jolloin virtamallin ja jänniteintegraalin perusteella lasketut staattorivuot ovat samanvaiheiset.

Koska asentokulma on kulmanopeuden integraali, saadaan säätä-5 jän 11 ulostulosta estimaatti roottorin kulmanopeudelle Δλ. Kulmanopeutta voidaan hyödyntää esimerkiksi säädöllisiin tarkoituksiin muissa kuin keksinnön kohteen yhteydessä.

Kuvaillun kaltainen järjestelmä toteuttaa vaihelukitun järjestelmän tuotettavan ristitulon, säätimen ja takaisinkytkentään käytettävän kulmaesti-10 maatin λ avulla. Jänniteintegraalilla aikaansaatu vuo on suuruudeltaan tarkasti oikea, mutta vasta keksinnön mukaisen menetelmän roottorikulman estimoinnin avulla tiedetään roottorin akselin tarkka suunta ja voidaan ohjata tahtikonetta esimerkiksi voihin perustuen luotettavalla tavalla.

On huomattava, että edellä oleva selitys kuvailee menetelmän to-15 teutusta ja toimintaa perustuen komponenttimuodossa oleviin suureisiin yksinkertaisuuden vuoksi. On kuitenkin selvää, että komponenttimuoto on eräs tapa vektorisuureen esittämiseen ja näin ollen keksintö on täysin toteutettavissa suoraanvektorimuotoisilla suureillakin.

Alan ammattilaiselle on ilmeistä, että tekniikan kehittyessä keksin-20 nön perusajatus voidaan toteuttaa monin eri tavoin. Keksintö ja sen suoritusmuodot eivät siten rajoitu yllä kuvattuihin esimerkkeihin vaan ne voivat vaihdella patenttivaatimusten puitteissa.

Claims (5)

112736 Patentti vaati m u kset

1. Menetelmä tahtikoneen asentokulma- sekä pyörimisnopeusantu-rittoman säädön yhteydessä, jolloin tahtikoneen yhteyteen on sovitettu säätö-laitteisto, joka käsittää tahtikoneesta laaditun virtamallin, menetelmän käsittä- 5 essä vaiheet, joissa määritetään tahtikoneen staattorin vaihevirrat (iu, iv, iw), määritetään tahtikoneen staattorin vaihejännitteet (uUl uv, uw) ja estimoidaan tahtikoneen roottorin asentokulma (λ), tunnettu siitä, että menetelmä käsittää lisäksi vaiheet, joissa 10 muodostetaan estimaatit tahtikoneen staattorivuovektorikomponen- teille (ψια, ψιρ) määritetyistä tahtikoneen staattorin vaihevirroista (iu, iv, iw) ja estimoidusta roottorikulmasta (λ) tahtikoneen virtamallia (2) käyttäen, muodostetaan estimaatit tahtikoneen staattorivuovektorikomponen-teille (ψα, ψρ) määritetyistä vaihejännitteistä (uUl uv, uw), 15 verrataan muodostettuja staattorivuovektorien estimaatteja (ψία, ψίβ; ψα, ψρ) estimaattien vaihe-eroon verrannollisen suureen aikaansaamiseksi, ja säädetään roottorin asentokulman estimaattia (λ) vaihe-eroon verrannollisen suureen perusteella.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, 20 että muodostettujen staattorivuovektorien estimaattien (ψία, ψίβ; ψα, ψβ) vertaaminen käsittää vaiheen, jossa muodostetaan mainittujen estimaattien välinen ristitulo estimaattien vaihe-eroon verrannollisen suureen aikaansaamiseksi.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu 25 siitä, että staattorivuovektorikomponenttien estimaattien (ψα, ψβ) muodostaminen käsittää vaiheen, jossa estimaatit (ψα, ψρ) muodostetaan määritetyistä vaihejännitteistä (uUl uv, uw) integroimalla.

4. Patenttivaatimuksen 1, 2 tai 3 mukainen menetelmä, tunnet-t u siitä, että staattorivuovektorikomponenttien (ψα, ψρ) estimaattien muodos- 30 taminen määritetyistä vaihejännitteistä (uu, uv, uw) käsittää vaiheen, jossa staattorin resistiiviset häviöt vähennetään määritetyistä vaihejännitteistä ennen estimaattien muodostusta.

5. Jonkin edeltävän patenttivaatimuksen 1-4 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että menetelmä käsittää lisäksi vaiheet, joissa 112736 johdetaan staattorivuovektorien estimaattien vaihe-eroon verrannollinen suure PID-säätäjään asentokulman muutoksen estimaatin (Δλ) aikaansaamiseksi, ja integroidaan asentokulman muutoksen estimaattia (Δλ) roottorin 5 asentokulman estimaatin (λ) aikaansaamiseksi. 9 112736