FI114511B

FI114511B - Menetelmä tahtikoneen roottorin asentokulman määrittämiseksi

Info

Publication number: FI114511B
Application number: FI20012060A
Authority: FI
Inventors: Mika Neuvonen
Original assignee: Abb Oy
Priority date: 2001-10-24
Filing date: 2001-10-24
Publication date: 2004-10-29
Also published as: FI20012060A0; FI20012060A; EP1449295A1; WO2003036788A1; US20040239285A1; US7067997B2

Description

114511

Menetelmä tahtikoneen roottorin asentokulman määrittämiseksi

Keksinnön tausta Tämän keksinnön kohteena on menetelmä tahtikoneen roottorin 5 asentokulman määrittämiseksi. Tahtikone koostuu yleisesti kolmivaiheisella käämityksellä varustetusta staattorista ja magnetoidusta roottorista. Roottorin magnetoiminen suoritetaan tyypillisesti joko kestomagnetoinnilla tai vieras-magnetoinnilla. Kestomagnetoinnissa roottoriin on asennettu kestomagneetti-lohkoja, joita staattoriin aikaansaatu pyörivä magneettikenttä vetää puoleensa 10 samalla pyörittäen roottoria. Roottorin vierasmagnetointi tarkoittaa sitä, että roottoriin on sijoitettu käämivyyhtejä, joihin tuodaan virtaa. Roottorin käämi-vyyhdit muodostavat tällöin magneettinapoja roottoriin, jotka toimivat samalla periaatteella kuin kestomagneetista valmistetut navat. Tahtikoneen roottori voi lisäksi olla rakenteeltaan joko umpi- tai avonapainen. Umpinapaisissa koneis-15 sa roottorin induktanssi staattorista katsottuna pysyy lähes vakiona, kun taas avonapakoneissa roottorin ja staattorin ilmavälin muutoksesta johtuen roottorin induktanssi vaihtelee suuresti roottorin asentokulmasta riippuen.

Nopeussäädetyissä tahtikonekäytöissä on tärkeää säätöjärjestelmän toiminnan kannalta, että koneen roottorin asentokulma tiedetään mahdol-20 lisimman tarkasti. Erityisesti säätömenetelmissä, jotka perustuvat koneen staattorivuon suoraan ohjaamiseen kulman määrityksen tarkkuudella on suuri merkitys säätötarkkuuden lopputulokseen. Roottorin asentokulman määrittä-miseen käytetään yleisesti pulssienkooderia tai absoluuttianturia, jolta saata-van tiedon perusteella on mahdollista määrittää roottorin kulma.

25 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-·;;; timointialgoritmeja, mutta jos moottorin kuorma sallii, voidaan roottori kääntää

I I

30 käytön alussa haluttuun suuntaan. Edullinen suunta on esimerkiksi roottorin kääntäminen jonkun vaiheen käämin suuntaiseksi. Roottorin kääntäminen voi-: daan suorittaa syöttämällä haluttuun vaiheeseen tasavirtaa, jolloin roottori kääntyy halutun suuntaiseksi. Alkukulman määrittäminen ja korjaaminen root-’ toriä kääntämällä on kuitenkin tahtikoneiden käyttökohteista johtuen usein ’· : 35 mahdotonta.

2 114511

Avonapaisessa tahtikoneessa, kuten esimerkiksi vierasmagne-toidussa tai kestomagneettimagnetoinnin käsittävässä tahtikoneessa tai synkronisessa reluktanssikoneessa staattori-induktanssi Ls stationaarisessa koordinaatistossa vaihtelee roottori kulma n θχ funktiona yhtälön 5 -^s = -^so -^s2 cos2ör.

esittämällä tavalla. Induktanssi vaihtelee perusarvon Lso ympärillä kaksinkertaisella roottorikulmalla induktanssikertoimen Ls2 ilmaisemalla suuruudella. In-10 duktanssikertoimet Ls0 ja Ls2 määritellään seuraavasti , _ Aid + Aq s0 _ 2 ’ T _

Ai2 ~ 2 ’ missä induktanssit Lsci ja Lsq ovat tahtikoneen pitkittäinen ja poikittainen tran-15 sientti-induktanssi.

Edellä esitetyn yhtälön hyödyntäminen roottorin alkukulman määrittämiseen on sinänsä tunnettua, ja se on esitetty esimerkiksi artikkeleissa S. Östlund and M. Brokemper, “Sensorless rotor-position detection from zero to '··’ rated speed for an integrated PM synchronous motor drive,” IEEE Transac- 20 tions on Industry Applications, vol. 32, pp. 1158-1165, September/October 1996 ja M. Schroedl, “Operation of the permanent magnet synchronous ma-.i chine without a mechanical sensor," in Int. Conf. on Power Electronics and ·: Variable Speed Drives, pp. 51-55,1990.

Artikkelin M. Leksell, L. Harnefors, and H.-P. Nee, “Machine design 25 considerations for sensorless control of PM motors,” in Proceedings of the In-,:. ternational Conference on Electrical Machines ICEM'98, pp. 619-624, 1998 mukaisesti staattoriin syötetään sinimuotoisesti muuttuva jännite oletettuun roottorin pitkittäissuuntaan. Jos seurauksena on oletetussa roottorikoordinaa- tistossa poikittaissuuntaista virtaa, korjataan oletettua roottorikoordinaatistoa : ^ : 30 siten, että poikittaissuuntainen virta oletetussa roottorikoordinaatistossa pois- tuu. Viitteessä todetaan, että tahtikonetta syöttävän taajuudenmuuttajan kyt- * * * ! . kentätaajuuden tulee olla ainakin 10 kertaa syötettävän jännitteen taajuus. Täl- 1 * löin esimerkiksi 5...10 kHz:n kytkentätaajuuteen pystyvällä taajuudenmuuttajal- la syötettävän jännitteen maksimitaajuus on 500...1000 Hz. Tämä riittää algo- 3 114511 ritmin toimintaan. Näin suuriin kytkentätaajuuksiin päästään IGBT-taajuudenmuuttajilla, mutta suuremmilla tehoilla tarvittavilla GTO- tai IGCT-tehokytkimisillä taajuudenmuuttajilla maksimikytkentätaajuus on alle 1 kHz. Al-kukulmaestimoinnin syöttöjännitteen maksimitaajuus jää silloin alle 100 Hz:n.

5 Näin pienellä taajuudella kone tuottaa jo vääntömomenttia ja algoritmin tarkkuus kärsii huomattavasti.

Viitteessä M. Schroedl, 1990 alkukulma lasketaan suoraan yhdestä induktanssimittauksesta, tai jos käytetään useampaa mittausta, lisätietoa hyödynnetään eliminoimalla induktanssiparametrit. Menetelmän heikkoutena on 10 mittauksessa väistämättä tapahtuvan virheen suuri vaikutus. Induktanssimitta-us tapahtuu siten, että staattoriin syötetään virtapulssi, josta aiheutuvan kää-mivuon perusteella lasketaan induktanssi. Virhettä voi aiheutua virran mittauksen virheestä ja siitä, että mittausvirta aiheuttaa roottoria heilauttavaa vääntö-momenttia.

15 Viitteen S. Östlund, M. Brokemper esittelemässä menetelmässä roottorikulmaa ei lasketa suoraan, vaan pyritään etsimään induktanssin minimi aloittamalla induktanssien mittaus eri suuntiin ensin harvalla välillä ja minimiä kohti mentäessä peräkkäisten mittausten kulmaeroa pienentämällä. Vaikka artikkelissa ei sitä mainitakaan, menetelmä tarttuu helposti mittausvirheiden ai-20 heuttamiin näennäisiin minimeihin ja virheeksi voi siksi jäädä vaikka miten suuri arvo.

Keksinnön lyhyt selostus Tämän keksinnön tarkoituksena on kehittää menetelmä, joka vält-tää edellä mainitut epäkohdat, ja mahdollistaa tahtikoneen roottorin alkukul-25 man määrittämisen varsin yksinkertaisella tavalla. Tämä tarkoitus saavutetaan :ti : keksinnön mukaisella menetelmällä, jolle on tunnusomaista se, että menetel mä käsittää vaiheet, joissa määritetään tahtikoneen induktanssit staattorin vai-.;· heiden suunnissa, muodostetaan induktanssivektori määritetyistä induktans- .· ·. seista ja määritetään roottorin asentokulma määritetyn induktanssivektorin 30 kulman perusteella.

; ! Keksintö perustuu siihen ajatukseen, että määrittämällä staattorin vaiheiden suuntaiset induktanssit, ja muodostamalla näistä induktansseista ; vektori, saadaan vektorin kulman perusteella määritettyä roottorin asentokul- . , : ma.

35 Keksinnön mukaista menetelmää hyödyntämällä saadaan roottorin alkukulma määritettyä varsin yksinkertaisella laskennalla, joka on helposti to- 4 114511 teutettavissa ohjelmallisesti. Lisäksi menetelmän käyttäminen ei riipu tutkittavan koneen parametreista millään tavoin, jolloin parametrejä ei tarvitse tietää ennalta.

Tyypillisesti tahtimoottorin käynnistystilanteessa käynnistyksen ha-5 lutaan tapahtuvan ilman viivettä. Koska menetelmä on yksinkertainen on se myös käynnistettäessä kohtalaisen nopea suorittaa ja näin käyttäjälle huomaamaton. Vaikka menetelmä on yksinkertainen, alkukulman määrityksen tarkkuus ei kuitenkaan heikkene merkittävästi muihin tunnettuihin menetelmiin nähden.

10 Kuvioiden lyhyt selostus

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

Kuvio 1a ja 1b esittävät roottorin kulman ja muodostetun induktans-sivektorin riippuvuutta toisistaan; 15 Kuvio 2a ja 2b esittää mittausjärjestystä käytettäessä kuutta mitta usta ja näistä muodostettuja induktanssien keskiarvoja; ja

Kuvio 3 esittää polariteetin määrittämistä.

Keksinnön yksityiskohtainen selostus

Keksinnön mukaisesti määritetään tahtikoneen induktanssit LA, Lb, ’··*’ 20 Le staattorin vaiheiden suunnissa. Induktanssien mittaaminen suoritetaan \.v normaalilla tavalla siten, että staattorin käämeihin aiheutetaan jännitepulssi, jonka seurauksena muodostuvan virran käyttäytymistä tarkkaillaan, ja induk-, ·. i tanssi määritetään tämän virran käyttäytymisen perusteella.

;··! Keksinnön edullisen suoritusmuodon mukaisesti induktanssien mit- 25 taaminen suoritetaan lisäksi vaiheiden vastakkaisissa suunnissa ja induktans-siarvoiksi LA, Lb, Lc valitaan tällöin vaiheen suunnassa ja tämän vastakkaises-sa suunnassa mitatun induktanssin keskiarvo. Tämän menettelyn ansiosta in-duktanssin määrittämisen tarkkuutta saadaan lisättyä.

Induktanssien määrittäminen on syytä suorittaa sellaisessa järjes-; ’· 30 tyksessä, joka aiheuttaa mahdollisimman vähän roottoria kääntävää moment- :,,,· tia. Kuuden mittauksen yhteydessä mittausjärjestys on kannattavina suorittaa •: . järjestyksessä, joka on esitetty kuviossa 2a. Kuviossa on esitetty kuinka mitta- ’ . us suoritetaan numerojärjestyksessä 1 - 6, ja lopputulokseksi saadaan kuvios- ' ‘ sa 2b esitetyt induktanssien keskiarvot L12, L34, L56, joita käytetään siis induk- 35 tanssien LA, Lb, Lc arvoina. Mittausjärjestyksessä pyritään aina maksimoimaan 5 114511 induktanssimittauksen suunnan muutos, joka vastaavasti minimoi roottorin kääntymisen.

Edelleen keksinnön mukaisesti muodostetaan induktanssivektori L määritetyistä induktansseista La, Lb> Le- Mitatuista induktansseista LA, LB, Le 5 muodostettu vektori voidaan esittää muodossa L = LA+LBej2nli +LceJ^n.

Edelleen keksinnön mukaisesti määritetään roottorin asentokulma 10 Θχ määritetyn induktanssivektorin L kulman perusteella. Sinänsä tunnetulla tavalla staattorin vaiheiden suuntaisista induktansseista muodostetun vektorin ja roottorin kulman välinen riippuvuus voidaan esittää yhtälöllä arg(L) = -20,.

15

Yhtälössä θχ edustaa roottorin pitkittäisakselin kulmaa ja L induktansseista muodostettua vektoria. Edeltävän yhtälön mukaisesti roottorin kulman ja induktanssivektorin L välistä suhdetta on havainnollistettu kuviossa 1a ja 1b.

Sovellettaessa keksinnön mukaista menetelmää kestomagneettiko-20 neelle voidaan tahtikoneen polariteettitarkistus tehdä kohtalaisella luotettavuu-···, della käyttäen jo suoritettuja induktanssimittauksia, mikäli mittauksia on suori tettu edullisen suoritusmuodon mukaisesti kuusi kappaletta. Polariteetti voidaan määrittää kahden vastakkaisiin suuntiin suoritetun mittauksen perusteella käyttäen määrityksessä aina sen sektorin induktanssia ja tämän vastakkai-25 seen suuntaan mitattua induktanssia, jossa pitkittäisakselin kulma sijaitsee.

* Polariteetin määrityksen periaatetta on esitetty kuviossa 3, jossa mittaussuun- tien muodostama kuvio on sijoitettu sektoreihin &i, 6b, 04 jaettuun puoliympyrään. Polariteettitarkistuksen onnistumisen edellytyksenä on riittävän voimak-:· kaan virran käyttäminen induktanssien mittauksessa. Tällöin vastakkaisiin 30 suuntiin määritettyjen induktanssien eroksi saadaan tarpeeksi suuri luotettavaan polariteetin määrittämiseen.

Mikäli induktanssien määrittämisen yhteydessä suoritetaan ainoas-taan keksinnön mukaiset kolme mittausta, voidaan polariteetin määrittäminen : : suorittaa normaaliin tapaan ylimääräisillä, ainoastaan tätä tarkoitusta palvele- • : 35 villa mittauksilla, jotka suoritetaan pitkittäisakselin suuntaan.

6 114511

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

Claims

114511

1. Menetelmä tahtikoneen roottorin asentokulman määrittämiseksi, tunnettu siitä, että menetelmä käsittää vaiheet, joissa määritetään tahtikoneen induktanssit (LA, LB, Le) staattorin vaiheiden suunnissa, 5 muodostetaan induktanssivektori (L) määritetyistä induktansseista (La, Lb, Le) ja määritetään roottorin asentokulma (6!·) määritetyn induktanssivekto-rin kulman perusteella.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, 10 että tahtikoneen induktanssit (LA, LB, Le) määritetään lisäksi staattorin vaiheiden vastakkaisissa suunnissa, ja että induktanssivektori muodostetaan vaiheiden suunnissa ja näiden vastakkaisissa suunnissa määritettyjen induktanssien keskiarvojen perusteella.

3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, 15 että menetelmä käsittää lisäksi vaiheen, jossa määritetään lisäksi tahtikoneen roottorin polariteetti asentokulman määrittämisen jälkeen perustuen jo suoritettuihin induktanssimittauksiin. * »* » 114511