NO328284B1 - Fremgangsmate for a redusere forskyvningsmomenteffekter i en elektrisk permanentmagnet maskin - Google Patents

Abstract

Fremgangsmåte til reduksjon av virkninger av coggingdreiemoment i en elektrisk permanentmagnetmaskin (1), hvor maskinen (1) er forbundet med en drivenhet (8), og hvor drivenheten (8) innbefatter en funksjon hvor den legger til en dreiemomentkomponent som er uavhengig av et dreiemoment generert av en hastighetsregulator, og maskinen har en rotor og en stator, hvor fremgangsmåten innbefatter: - å måle rotorens vinkelposisjon i forhold til statoren og rotorens vinkelhastighet ved bruk av en sensor (6); - å kjøre minst to tester med minst to ulike coggingkompenseringssignaler fra drivenheten (8), hvor én av testene betegnes som en "a"-test og en annen test betegnes som en "b"- test; - å analysere det mottatte signal fra sensoren (6) eller sensorene for å finne de tilsvarende amplitude- og faseresponser for vibrasjonssignalet for nevnte tester; - å regne ut en første verdi ved å multiplisere den komplekse coggingamplitude for det anvendte kompenseringssignal for a testen med den komplekse amplitude for vibrasjonssignalet som representerer vibrasjoner som er resultat av det coggingdreiemoment i b-testen; - å regne ut en andre verdi ved å multiplisere den komplekse coggingamplitude for det anvendte kompenseringssignal for b testen med den komplekse amplitude for det vibrasjonssignal som representerer vibrasjoner som er resultat av coggingdreiemomentet i a-testen; - å regne ut den ønskede komplekse cogging- kompenseringsamplitude ved å dividere differansen mellom nevnte første verdi og nevnte andre verdi med differansen mellom de komplekse amplituder for de vibrasjonssignaler som representerer vibrasjoner som er resultat av b-testen og a-testen; - å anvende et cogging- kompenseringsdreiemoment på maskinen (1) basert på den ønskede komplekse coggingkompenseringsamplitude.

Description

FREMGANGSMÅTE FOR A REDUSERE COGGINGEFFEKTER I EN ELEKTRISK PERMANENTMAGNETMASKIN

Det er tilveiebrakt en fremgangsmåte for a redusere virkninger av coggingdreiemomentseffekt i en elektrisk permanentmagnetmaskin Fremgangsmåten vedrører nærmere bestemt reduksjon av virkninger av coggmgdreiemoment i en elektrisk permanentmagnetmaskm hvor maskinen er koplet til en styringselektro-nikk heretter kalt drivenhet, som styrer maskinens dreiemoment og hastighet, og hvor drivenheten innbefatter den funksjon a legge til en dreiemomentkomponent uavhengig av det dreiemoment som genereres av den del av drivenheten som regu-lerer hastigheten

Såkalt cogging er et velkjent trekk ved permanentmagnetrnaski-ner (PM-maskiner) og viser seg ved varierende maskmhastighet og/eller dreiemoment Coggmgdreiemoment skyldes samhandling mellom rotorens permanentmagneter og spaltene i PM-maskinens stator, og rotoren blir tiltrukket til posisjoner hvor den magnetiske fluks over luftspalten er pa et maksimum Med unn-tak av stepmotorer er coggmgdreiemoment uønsket fordi det fører til hastighetsvariasjoner og ogsa til vibrasjoner i statorfundamentene, særlig ved lave til moderate motorhastigheter De fleste PM-maskiner er derfor utformet til a minimere coggmgdreiemomentet, vanligvis ved at det brukes skra-stilte magneter eller statorspalter

Til tross for bestrebelser for a minimere coggmgdreiemoment gjennom egnet elektrisk og mekanisk utforming er det ganske alminnelig at PM-maskiner har gjenværende av coggmgdreiemoment amplituder pa 0,5-2 % av det nominelle dreiemoment Selv maskiner som er praktisk talt identiske, kan ha relativt sto-re individuelle forskjeller i karakteristikkene for coggmgdreiemoment

Moderne permanentmagnetmaskmer blir ofte styrt av drivenheter med variabel frekvens, hvilke blir brukt i stor utstrek-ning til styring av elektriske induksjonsmotorer Noen av disse drivenheter har ogsa innebygd programvare som tar sikte pa a kompensere for coggmgdreiemomentet Programvaren legger ganske enkelt til harmoniske dreiemomentkomponenter med spe-sifiserte harmoniske antall, amplituder og faser til det has-tighetskorrigerende dreiemoment som kommer fra hastighetsregulatoren Denne kompenserende programvare har vist seg a fungere godt for en spesifikk last og hastighet, men erfaring har vist at den svikter nar hastigheten og/eller lasten avvi-ker mye fra innstillingsbetingelsene Grunnen til dette er at det optimale eller ønskede kompenseringssignal varierer mye med motorens hastighet og last, og den statiske fremgangsmåte med konstante amplituder og faser er ikke i stand til a tilpasse seg til nye betingelser

I nedenstående blir uttrykket motor brukt for letthets skyld selv om analysen ogsa gjelder en rekke forskjellige elektriske maskiner som kan virke ogsa som generatorer Den foreliggende oppfinnelses formal er a overvinne, eller i det minste avhjelpe, ulempene ved PM-maskinen ifølge kjent teknikk

Formalet oppnås i overensstemmelse med oppfinnelsen gjennom de trekk som er angitt i beskrivelsen nedenfor og i de etter-følgende patentkrav som skisserer en fremgangsmåte for adap-

tiv coggmgkompensering

Det tilveiebringes en fremgangsmåte til reduksjon av virkninger av coggmgdreiemoment i en elektrisk permanentmagnetmaskin, hvor maskinen er forbundet med en drivenhet, og hvor drivenheten innbefatter den funksjon at den legger til en dreiemomentkomponent som er uavhengig av et dreiemoment generert av en hastighetsregulator, og maskinen har en rotor og en stator, og hvor fremgangsmåten innbefatter

- a male rotorens vinkelposisjon i forhold til statoren og rotorens vinkelhastighet ved bruk av en sensor, - a kjøre minst to tester med minst to ulike coggingkompenseringssignaler fra drivenheten, hvor én av testene betegnes som en a-test og en annen test betegnes som en b-test, - a analysere det mottatte signal fra sensoren for a finne de tilsvarende amplitude- og faseresponser for vibrasjonssignalet for nevnte tester, - a regne ut en første verdi ved a multiplisere den komplekse coggingamplitude til det anvendte kompenseringssignal for a-testen med den komplekse amplitude til vibrasjonssignalet som representerer vibrasjoner som er resultat av coggmgdreiemoment i b-testen, - a regne ut en andre verdi ved a multiplisere den komplekse coggingamplitude til det anvendte kompenseringssignal for b-testen med den komplekse amplitude til vibrasjonssignalet som representerer vibrasjoner som er resultat av coggmgdreiemomentet i a-testen, - a regne ut den komplekse coggingkompenseringsamplitude ved a dividere differansen mellom nevnte første verdi og nevnte andre verdi med differansen mellom de komplekse amplituder til de vibrasjonssignaler som representerer vibrasjoner som er resultat av b-testen og a-testen, slik det er fremsatt i ligning 11 eller lia nedenfor, - a anvende et kompenseringsdreiemoment pa maskinen basert pa

den komplekse coggingkompenseringsamplitude

Det er et aspekt ved fremgangsmåten at fremgangsmåten innbefatter

- a male i det minste én av størrelsene vinkelhastigheten eller vmkelakselerasjonen til rotoren statoren eller differansen mellom de to ved bruk av en vibrasjonssensor som er festet til maskinen eller dennes fundament

Det er et aspekt ved fremgangsmåten at fremgangsmåten innbefatter

- a kjøre de aktive tester med to ulike kompensenngssigna-ler, hvor én eller flere harmoniske frekvenser til cogginggrunnfrekvensen blir lagt til til det innstilte dreiemoment fra hastighetsregulatoren

Det er et annet aspekt ved fremgangsmåten at fremgangsmåten innbefatter

- a anvende en posisjons- eller tidsbasert Fourier analyse av de ra eller behandlede hastighetssignaler for a finne de tilsvarende amplitude- og faseresponser til hastigheten for nevnte tester

Det er et ytterligere aspekt ved fremgangsmåten at hastigheten forut for Fourier analyse korrigeres for uharmoniske variasjoner ved

- a beregne delgjennomsnitt for hastighet og vinkel over intervaller som representerer heltall av coggmgperioder Det er enda et annet aspekt ved fremgangsmåten at de behandlede hastighetssignaler blir korrigert for uharmoniske variasjoner ved - a regne ut delgjennomsnitt av hastighet og vinkel over intervaller som representerer heltall av coggingperioden, - a tilpasse en polynomial funksjon til nevnte gjennomsnitt, - a subtrahere den tilpassede funksjon fra hastighetsrasigna-

let og derved gjøre et dynamisk hastighetssignal bedre egnet for Fourier analyse

Drivenheten innbefatter i det minste én hastighetsregulator og én dreiemomentregulator

Følgende notasjon blir benyttet i nedenstående

C coggingkompenseringsdreiemoment

Ca og Cb coggingkompensermgsamplituder

Cok gjennomsnittsberegnet kompenseringsamplitude etter k

innstillingstester

Ch kompleks coggingkompenseringsamplitude med

harmonisk frekvens h

C0 kompenseringsamplitude

Hj kompleks transferfunksjon for dreiemomentregulatoren

N telleimpuls for kodeinnretning pr omdreining

P og I hastighetsregulatorparametrer

J, rotorinerti

Js statorinerti

Tm motordreiemoment fra drivenhet

Tc coggmgdreiemoment

Tie dreiemoment fra den eksterne rotorlast

Z, mekanisk impedans i rotor

Zre ekstern rotorimpedans

Zj mekanisk impedans i stator

Zse ekstern statorimpedans

Zn kompleks impedans i hastighetsregulatoren

6 kodemnretningsbasert mekanisk vinkelposisjon for

rotoren

do mulig forskyvnmgsvinkel

A^n vinkelinkrement

Q malt hastighet

Cla kompleks hastighet sampl ltude fra test a Clb kompleks hastighetsamplitude fra test b Q, rotorvinkelhastighet

Q,s statorvmkelhastighet

Clsatt fordret hastighet

Q/ hastighetsamplitude for 1 harmoniske frekvens

Q gjennomsnittlig rotasjonshastighet

{ h} harmoniske coggingfrekvenser

i imaginær enhet

k antall innstillingstester

m antall coggingperioder

n faktisk telleverksverdi

np antall polpar i en motor

ns antall spalter i statoren

s Laplace-variabel

Ei, gjenværende kompenserings f eil

co vinkelfrekvens

v vibrasjonssignal som representerer variasjoner som er

resultat av coggingdreiemomentet

Atn tidsinkrementer

For a forstå virkningen av coggmgdreiemoment, er det nyttig a se nærmere pa bevegelsesligningen for rotoren Den kan skrives som

hvor J, er rotorinertien, Q, er rotorvinkelhastigheten, Tm er motordreiemomentet fra drivenheten Tc er coggingdreiemomentet, og T, e er dreiemomentet fra den eksterne rotorlast Motordreiemomentet bestemmes av en hastighetsregulator og en dreiemomentregulator, og er ofte basert pa den fordrede hastighet innstilt av operatøren

Som et eksempel, dersom hastighetsregulatoren er en vanlig PI-regulator, strømregulatoren er perfekt med forsterkning med faktor 1, og tidsforsinkelsene er ubetydelige, da kan motordreiemomentet uten coggmgkompensering skrives som

Her er P og / hastighetsregulatorparametrer, fl er den malte hastighet, og Clsatt er den fordrede hastighet innstilt av ope-ratøren Den malte hastighet blir normalt utledet fra en kodeinnretning som maler rotorens vinkelposisjon i forhold til statoren

Sa lenge statoren ikke er uendelig stiv, kan ikke statorvib-rasjonene og deres innvirkning pa den malte hastighet ignore-res Dette gjelder i det minste for frekvenser som representerer konstruksjonsmessige resonanser i statoren og dennes bæreelement

Ved granskning av periodiske variasjoner i hastigheten og dreiemomentet, er det hensiktsmessig a bruke Laplace-transformasjon Tidsdifferensiering blir da erstattet med Laplace-variabelen s, mens integrasjon erstattes med l/ s For forhold med stabil tilstand representerer Laplace-variabelen vinkelfrekvensen multiplisert med den imaginære enhet, dvs s = ico I det følgende vil komplekse amplituder, som blir beskrevet enten gjennom deres reelle og imaginære deler eller gjennom deres størrelser og faser for letthets skyld bli kalt amplituder

Følgende forenklende forutsetninger benyttes

- Den innstilte hastighet er konstant uten noen harmoniske variasjoner - Hastighetsregulatoren genererer et harmonisk dreiemoment representert ved dets amplitude C - Den malte hastighet representerer vinkelhastighets-forskjellen mellom rotor og stator, dvs Q = Qr- Cls - Hastighetsregulatoren er lineær og kan representeres ved den komplekse impedans Zn - Dreiemomentregulatoren er lineær og kan derfor representeres ved den komplekse transferfunksjon Hr Denne forutsetning er gyldig lokalt for sma variasjoner i hastighet og last, selv nar dreiemomentregulatoren er ikke-lineær over en bredere skala - Den eksterne dreiemomentkomponent som virker pa rotoren, varierer lineært med rotorhastigheten Under disse forutsetninger kan den Laplace-transformerte be-vegelsesligning for rotoren skrives som Her er Z, e den eksterne rot or impedans, slik at produktet -Z,e£2, representerer den dynamiske, eksterne last som er resultat av rotorens hastighetsvariasjon For letthets skyld brukes de samme symboler for de Laplace-transformerte hastigheter og coggmgdreiemoment som de tilsvarende tidsvariabler i ligning (1) I henhold til Newtons 3 lov virker motordreiemomentet og det coggmgdreiemoment ogsa pa statoren men i motsatt retning Bevegelsesligningen for statoren blir derfor

Her er Zse den eksterne statorimpedans, slik at produktet

- ZseQ. s representerer statorfundamentets reaksjonskraftvirkning pa statoren

Summering av ligningene (3) og (4) fører til følgende uttrykk

Det er hensiktsmessig a innføre følgende forkortinger Zr= sJ, + Zie og Zs=sJs + Z, e I motsetning til de forrige uttrykk innbefatter disse impedanser ogsa inertivirkninger Derfor representerer venstre side i ligningen ovenfor den dynamiske kraft som virker i rotoren pa grunn av dennes egen hastig-hetsvariasj on Nar man er klar over at Oj = Q,-Q, kan ligningen ovenfor om-skrives som Kombinering av dette uttrykk med ligning (3) og innføring av den kombinerte impedans Z = Z, Zs/( Zr + ZJ fører til

Malet er a finne kompenseringsamplituden C0 = TC/ Hr som far de dynamiske hastighetsvariasjoner til a forsvinne Det skal forstas at coggingdreiemomentets amplitude Tc, impedansene Zq, Zr , Zs og dreiemoment regulator-transf erf unksjonen Hr er ukjen-te, komplekse funksjoner som varierer med motorens hastighet og dreiemomentlast Det er imidlertid mulig a finne kompenseringsamplituden uten a kjenne disse parametere Fremgangsmåten for a gjøre dette blir beskrevet i det følgende Det er gunstig at dette ogsa synes a være den optimale eller den ønskede coggingkompensenng

Anta at to forskjellige coggingkompensermgsamplituder, representert ved Ca og Q,, blir anvendt i to tester som har samme gjennomsnittshastighet og -last De forskjellige amplituder genererer forskjellige responser representert ved de målbare hastighetsamplituder Qa og Q^, Ved inkludering av den ønskede coggingkompenseringsamplitude som gir null hastighetsamplitude gjelder følgende tre ligninger Det kan ses ved a sette inn Tc=HjC0 i de to første ligninger og deretter dividere ligning (8) med ligning (9), at den ønskede coggingkompensering kan skrives som

Denne formel viser at det er mulig a bestemme den ønskede coggingkompenseringsamplitude empirisk ut fra to tester uten a kjenne verken selve coggmgdreiemomentet eller systempara-metrene som beskriver motorenes dynamikk og dens samhandling med konstruksjonen

Det er verdt a nevne at a bruke hast lghet svanas jonsamplitu-der til a representere coggingdreiemomentets respons er valgt for letthets skyld Siden kodeinnretningssignalet trengs for a kjenne den relative rotorposisjon, er det en enkel sak a finne vinkelhastigheten uten a ha en annen sensor

Formel (11) gjelder like godt om vi erstatter vinkelhastig-hetsamplituden med vinkelakselerasjonen a=Q/ s Alternativt ville et vanlig akselerometer som maler den lineære akselerasjon ved statoren eller ved statorfundamentet, kunne brukes som vibrasjonssensor Ligning (11) kan derfor generaliseres til

hvor v representerer ethvert vibrasjonssignal som representerer variasjoner som er resultat av coggingdreiemomentet Ulempene ved a bruke akselerometre i stedet for kodemnretningsbasert hastighet er a) behovet for en ekstra vibrasjonssensor, b) akselerometre kan lettere ta opp vibrasjoner fra eksterne kilder og c) signal-støy-forholdet for akselera-sjonssignal vil være meget dårlig ved lave hastigheter eller frekvenser Hittil er ligningene utledet bare for én frekvens eller harmoniske frekvenser som typisk representerer coggmggrunnfre-kvensen Fremgangsmåten kan imidlertid generaliseres til a innbefatte en flerhet av harmoniske coggingfrekvenser Pa grunn av den grunnleggende forutsetning om linearitet, kan de komplekse amplituder for de ulike harmoniske frekvenser finnes ut fra de samme tester, forutsatt at amplitudene for hver harmonisk frekvens er forskjellige for de to mnstillingstes-ter I teorien for elektriske maskiner skilles det mellom mekaniske og elektriske vinkler og vinkelhastighet For en synkron-maskin med np polpar er den momentane elektriske vinkel (ogsa kalt transformasjonsvinkel) og vinkelfrekvensen gitt ved

Her er 6 rotorens kodeinnretnmgsbaserte, mekaniske vinkelposisjon Dersom motoren har ns spalter er den grunnleggende coggmgvmke 1 frekvens

En kodeinnretning er i virkeligheten et diskret mal for den mekaniske rotorvmkel Dersom kodeinnretningen har N telle-lmpulser pr omdreining og den faktiske telleverksverdi er n, er den malte mekaniske vinkel hvor #o er en eventuell forskyvningsvinkel som representerer den mekaniske posisjon nar telleverksverdien er null Den tilsvarende vinkelhastighet er hvor A6„ og At„ er henholdsvis vinkel- og tidsinkrementene Harmoniske hastighetsvariasjoner kan finnes ut fra Fourier analyse av den estimerte hastighet Siden coggingdreiemomentet domineres av noen fa harmoniske frekvenser, er det hensiktsmessig a bruke en direkte analysemetode representert ved de komplekse summasjoner nedenfor Summasjonsindeksen rna strekke seg over prøver som dekker et heltall av spalteperioder for a gi korrekte amplituder, dvs

hvor m er et heltall Formel (16) gjelder bade nar samp-lingstidsintervallet er konstant, og nar vinkelinkrementene er konstante Sistnevnte metode er ofte a foretrekke av føl-gende grunner

- Hastighetsnøyaktigheten er bedre, forutsatt at loggeanord-

ningens tidsoppløsning er høyere enn den kodeinnretningsba-serte vinkeloppløsning - Det er sammenligningsvis enkelt a finne antallet elementer som tilsvarer et eksakt heltall av spalteperioder - Summasjonsformelen ovenfor forenkles vesentlig nar vinkelinkrementene A0„ er konstante - Korreksjon for uharmoniske hastighetsvariasjoner er enkle-re, som forklart nedenfor

Uharmoniske hastighetsvariasjoner vil her si lavhastighetsva-riasjoner som ikke har sin opprinnelse i cogging Vanlige kilder er variasjoner i den operatørinnstilte hastighet og i motorlasten Disse variasjoner kan gi falske Fourier kompo-nenter som ikke har sin opprinnelse i coggmgdreiemoment Som et eksempel, dersom hastigheten øker lineært med en konstant akselerasjon, tolker Fourier analysen dette som et periodisk, sagtannformet signal som har en flerhet av harmoniske frekvenser

For a minimere virkningen av uharmoniske variasjoner, skal

derfor hastighetssignalet fjernes før Fourier analysen anven-des Én mulig mate a gjøre dette pa, er a tilpasse et polynom av lav orden til hastighetsradataene Denne fremgangsmåte har minst to ulemper

- Den er tid- og kapasitetskrevende

- Tilpasningen kan fjerne ogsa deler av de sanne, harmoniske variasjoner Dette blir klart ved a studere et enkelt eksempel pa et rent sinussignal Q = sin(w50) Lineær regresjon av denne funksjon vil gi en skrånende kurve som fjerner ogsa en del av sinuskomponenten

En foretrukket mate a fjerne uharmoniske hastighetsvariasjoner pa, blir forklart nedenfor

- Bruk et relativt stort analysevindu som representerer et multiplum av ma spalteperioder, hvor ma typisk er 2 eller 3 - Finn individuelle gjennomsnitt for hvert delsett av hastighetsradataene Siden gjennomsnittene dekker et heltall av coggingperioder, er de upåvirket av de coggingmduserte variasjoner - Finn et egnet polynom av grad ma—\ som passer til dette datasett av gjennomsnitt - Subtraher den tilpassede funksjon fra de opprinnelige has-tighetsradata for a oppnå et dynamisk signal uten skadelige, uharmoniske variasjoner Hastighetsamplitudeestimatenes nøyaktighet, og derved ogsa de ønskede coggingkompenseringsamplituder, avhenger av mange faktorer, men særlig antallet coggingperioder som inngår i analysen Et alternativ til økning av antallet perioder m er a gjennomsnittsberegne over mer enn én test Det finnes mange mater a foreta gjennomsnittsberegning pa En foretrukket mate er a bruke løpende gjennomsnitt med lik vekt fra alle tidligere tester

hvor C0k er gjennomsnittet etter k innstillingstester Legg merke til at den aller første forsøksamplitude, Cb som kan knyttes til C0o, ikke vil ha noen innvirkning pa de påføl-gende gjennomsnitt

For a sjekke konvergens i gjentatte tester er det ogsa nyttig a konstruere lignende gjennomsnitt for hastighetsamplitudene

Følgende algoritme beskriver én av mange mulige mater for gjennomføring av adaptiv coggingkompensering innbefattende en flerhet av harmoniske coggingfrekvenser representert ved { h}

a Overvak gjennomsnittshastighet og -last og vent pa forhold med stabil tilstand til endringsraten er tilstrekkelig liten b Dersom det ikke er gjennomført noen tester for denne last-og hastighetskombinasjon, sett da testtelleverket pa k=0 og

den beste gjetning for de ønskede kompenseringsamplituder lik

c Velg referansebetingelser med null kompenseringsamplituder representert ved settet av komplekse amplituder for harmoniske frekvenser { Ch} a ={0} og overfør dem til drivenheten

d Vent et angitt transienttidsintervall, typisk 0,2 s som behøves for a frembringe stabil tilstand med hastighetsvariasjoner med de nye kompenseringsverdier

e Legg inn en registrering av vinkel- og tidsinkrementverdi-er representert ved { 0„, Atn} a, som dekker et heltall coggingperioder

f Velg et sett coggingkompenseringsamplituder { Ch} h = {Ca},* som representerer det beste estimat for den ønskede kompensering

g Legg inn en annen registrering av vinkel- og tidsmkre-mentverdier representert ved { Øn, AtH} h

h Behandle de to dataregistreringer hver for seg ved a

- fremstille hastighetsregistreringer

- fjerne uharmoniske hastighetsvariasjoner

- anvende Fourier analyse for a finne hastighets amplituder { £lh} a og { dh} h i Regn ut nye estimater for de ønskede kompenseringsamplituder { Ch}} med ligning (11) , - oppdater gjennomsnittsberegnede amplituder med ligning (18) , - oppdater hastighetsamplitudene for deltestene a og b ved hjelp av ligning (19) og

- inkrementer testtelleverket med én

- regn ut gjenværende kompenseringsfeil med

= Qh oj^ lha

j Gjenta testsekvens a -i til kompenseringen er god nok, typisk £i<0,l, eller til maksimumsantallet av tester er nadd, typisk £max= 10

k Send de siste coggingkompensermgsamplituder jc*},* til drivenheten og hold denne verdi inntil ny innstilling kreves for annen hastighets- og lastbetingelse

Dersom de ønskede coggmgamplituder ikke varierer med tid eller temperatur, kan adaptiv coggmgkompensering fortrinnsvis kjøres under en oppstartingsfase for én gang for alle a finne ut hvordan amplituder varierer med hastighet og last Nar coggingamplitudene er kartlagt nøyaktig over hele arbeidsområdet til motoren, kan ytterligere testing utelates ved frem-tidige operasjoner Fordelene med denne prosedyre er innly-sende

- Selve drivenheten eller en PLS som styrer drivenheten, kan være programmert til a gi de korrekte kompenseringsamplituder for hvilken som helst kombinasjon av last og hastighet - Den maskinvare og programvare som trengs for a kjøre og analysere innstillingstestene, kan fjernes - Ønsket kompensering oppnås kontinuerlig, og referanseteste-ne med null kompensering med de tilknyttede midlertidige vibrasjoner unngås - Kompensering vil virke like godt under forhold med stabil tilstand som under transientforhold nar hastigheten og/eller lasten endrer seg raskt

Det finnes flere muligheter for kartlegging av coggingkompen-seringene som en funksjon av hastighet og last Den første er a bruke empiriske og analytiske modeller med et relativt lavt antall egnede parametrer for a oppnå god overensstemmelse mellom malingene og modellen Denne fremgangsmåte er attrak-tiv dersom amplitudene endrer seg moderat og jevnt som en funksjon av hastighet og last

En andre mulighet er a lagre malingene i oppslagstabeller som representerer gitterpunkter i hastighet-last-planet Dersom tabellgitteret er grovt med noen fa punkter i hver retning, kan det være nødvendig a bruke en slags interpolering for tilstander mellom tabellpunktene

Et alternativ til a bruke interpolering ut fra en grov tabell, er a bruke et finmasket gitter Utfyllingen av gitterpunkter kan gjøres enten direkte, hvilket krever et stort antall innstillingstester, eller den kan gjøres indirekte Sistnevnte valgmulighet betyr at coggmgamplituden først blir malt i et primært, grovt nett over hele arbeidsområdet til motoren Deretter blir den endelige tabell generert ved interpolering fra den primære tabell Slike tabeller, som be-star av enten én kompleks tabell eller to reelle tabeller pr harmonisk coggingfrekvens, vil være et slags "fingeravtrykk" for en motor

Den foreslåtte fremgangsmåte krever bare ett enkelt kodeinn-retningssignal for bade vinkel- og hastighetsmalmgene Ingen andre sensorer, som f eks for momentant dreiemoment eller for vinkelakselerasjon, er nødvendig - Den krever ikke a-priori-kunnskap om hvordan coggmgdreiemoment varierer med motorens vinkelposisjon, hastighet og last - Den krever heller ikke detaljert kjennskap til karakteris-tikken til hastighetsregulatoren eller dreiemomentregulatoren

i drivenheten

I det følgende blir det beskrevet et eksempel pa bruk av fremgangsmåten som er illustrert pa de medfølgende tegninger, hvor

Fig 1 viser skjematisk en permanentmagnetmotor som driver

en kranvaierspole,

Fig 2 viser malte motorhastigheter med og uten coggingkompensering, hvor X-aksen representerer tid i se-kunder, og Y-aksen representerer hastigheten i o/min, Fig 3 viser en graf som representerer den reelle del av coggingkompenseringsdreiemomentet som en funksjon av motorhastighet og dreiemoment, hvor X-aksen representerer hastigheten i o/min, Y-aksen representerer den reelle del av coggingkompenseringsdreiemomentet C i Nm, og Z-aksen representerer dreiemomentet i kNm, og Fig 4 viser en graf som representerer den imaginære del av coggingkompenseringsdreiemomentet som en funksjon av motorhastighet og dreiemoment hvor X-aksen representerer hastigheten i o/min, Y-aksen representerer den imaginære del av coggingkompenseringsdreiemomentet C i Nm, og Z-aksen representerer dreiemomentet i kNm Pa tegningene angir henvisningstallet 1 en permanentmagnetmaskin i form av en motor som er koplet til en kranvaierspole 2 via et tannhjul 4 Motoren 1 er i denne utførelsesform en ra-dialfluks-permanentmagnetmotor med ytre rotor, 12 polpar og 72 statorspalter Oppgitt effekt er 375 kW, mens nominell hastighet er 80 o/min, hvilket tilsvarer en elektrisk frekvens pa 16 Hz Maksimumshastighet med feltsvekning er 210 o/min

En sensor 6 i form av en mkrementell kodeinnretning er koplet til motoren 1 Kodeinnretningen gir 120 000 pulser pr omdreining og blir brukt bade for rotorvinkelmaling og rota-sjonshastighetsmaling Kodeinnretningen 6 gir ogsa en mdeks-puls som blir brukt for tilbakestillmg av posisjonstelleren for hver fullførte omdreining

Motoren 1 er koplet til en drivenhet 8 med variabel frekvens via en kabel 10 En egnet drivenhet 8 er en drivenhet med tre sinusgeneratorer for harmoniske dreiemomentfrekvenser, som produsert av Siemens AG Drivenheten 8 er utformet til a generere kompenseringssignalet basert pa angitte verdier for harmoniske frekvensers antall, amplitude og fase

En programmerbar automasjonsstyreenhet (PAC) 12 er koplet til kodeinnretningen 6 via en kabel 14 og programmert til a lese signaler fra kodeinnretningen 6 direkte PAC-en kommuniserer med drivenheten 8 via en programmerbar logisk styreenhet (PLS) 16 En Compact RIO Programmable Automation Controller fra National Instruments er velegnet til formalet En foretrukket trinn-for-trinn-algoritme innbefatter

I Klargjør drivenheten 8 ved a stille antall harmoniske frekvenser for coggingkompensering pa 6 og 12, hvilke representerer henholdsvis 6 og 12 harmoniske frekvens i den elektriske frekvens og 1 og 2 harmoniske coggingfrekvens

II Gjør ogsa klar en testbetmgelsesmatriks som representerer noen fa laster, typisk 10, 50 og 90 % av merkelast og noen fa flere hastigheter, typisk ±5, ±15, ±30 og ±45 o/min Nullstill ogsa antallet full-førte tester k for alle punkter i testmatriksen og sett inn en beste gjetning for coggingkompensering-samplitudene i den resulterende coggmgamplitude-matriks Et eksempel pa den reelle og den imaginære del av nevnte matriks er vist pa fig 3 og 4

III Velg en ny kombinasjon av last og hastighet og kjør

motoren ved denne betingelse

IV Start deltest a ved a sende null kompenseringsamplituder til drivenheten Sett tilsvarende kompenseringsamplituder C/a = 0 og C2a = 0

V Vent i 0,5 s pa at coggingvibrasjonene skal bli sta-bile

VI La den eksterne prosessor fange inn en fil pa 5000

konstante stigende eller avtakende tellertall og tilsvarende tidsmkrementer, hvilke således representerer tre eller et multiplum av tre coggingperioder VII Gjør om disse rådata til et sett av 5000 vmkelposi-sjoner og rotasjonshastigheter

VIII Fjern eventuell uharmonisk hastighetsvariasjon gjennom fremgangsmåten beskrevet ovenfor Bruk en polynomial tilpasning av 2 orden basert pa de tre gjennomsnitt representert ved delrekkene 1 til 1667 1667

til 3333 og 3333 til 5000

IX Anvend ligning (17) pa hver av de to laveste harmoniske frekvenser for a finne de komplekse hastighetsamplituder, Clja og Q^, for test a Dette fullfører deltest a

X Start deltest b ved a velge de beste estimater for

kompenseringsamplituder C)ft=Ci0* og Cu=- Ci0k

XI Gjenta trinn V til VIII for deltest b

XII Anvend ligning (17) for hver av de to laveste harmoniske frekvenser for a finne de komplekse amplituder Q/6 og Cl2bi for test b

XIII Anvend ligning (11) for utregning av ønskede kompenseringsamplituder for de harmoniske frekvenser 1 og 2 C/o og Cio

XIV Anvend ligning (19) og (20) for oppdatering av glat-tede verdier for kompenseringsamplitudene og hastighet sampl ltudene Inkrementer testtelleverket k for denne lastkombinasjon med 1

XV Sjekk konvergens og gjenta trinn IV-XIV til den gjenværende første harmoniske hastighetsamplitude <Q>lojt| er tilstrekkelig liten, typisk < 0,001 rad/s,

eller til det maksimale antall tester, typisk 10, er blitt fullført

XVI Gjenta trinnene IV-XIV til alle testbetmgelser er

fullført

XVII Generer et finmasket gitter som dekker alle de betingelser hvor coggingkompensering ønskes, for eksempel hvert o/min-heltall fra -50 til 50 o/min, og hvert dreiemomentheltall fra 0 til 50 kNm De malte og beregnede punkter er inntegnet som punkter 18 og 20 pa henholdsvis fig 3 og 4

XVIII Bruk en kjent matematisk metode for a generere tilsvarende finmaskede oppslagstabeller som vist pa fig 3 og 4 for 1 og 2 harmoniske kompenseringsamplituder Dette kan som et eksempel, oppnås gjennom Lab-VIEW-mathScript-funksjonen 'griddata' og bruk av me-todevalg 'v4' Siden denne funksjon kun godtar reelle verdier, ma de reelle og imaginære deler finnes hver for seg

XIV Transformer den reelle del, se fig 3, og den imaginære del se fig 4, av oppslagstabellene til tilsvarende tabeller for reelle størrelser og faser og lagre dem i den PLS som styrer drivenheten

XX Kjør et program i PLS-en som kontinuerlig overvaker motorens hastighet og last, og som velger ut de korrekte kompenseringsstørrelser og faser og sender dem til drivenheten

XXI Dette fullfører innstillingstestprosedyren for denne spesielle kombinasjon av motor og driveenhet, og den eksterne prosessor behøves ikke lenger for a oppnå god coggingkompensering

Pa fig 2 er motorens 1 hastighet vist, hvor kurven 22 viser motorhastigheten uten coggingkompensering, og kurven 24 viser motorhastigheten med coggingkompensering i henhold til det foreliggende dokument

Claims (6)

1 Fremgangsmåte for a redusere virkninger av coggmgdreiemoment i en elektrisk permanentmagnetmaskm (1), hvor maskinen (1) er koplet til en drivenhet (8), og hvor drivenheten (8) innbefatter en funksjon hvor den legger til en dreiemomentkomponent som er uavhengig av et dreiemoment generert av en hastighetsregulator, og maskinen har en rotor og en stator, karakterisert ved at fremgangsmåten innbefatter - a male rotorens vinkelposisjon i forhold til statoren og rotorens vinkelhastighet ved bruk av en sensor (6) , - a kjøre minst to tester med minst to forskjellige coggingkompenseringssignaler fra drivenheten (8), hvor den ene av testene betegnes som en "a"-test og en annen test betegnes som en "jb"-test, - a analysere det mottatte signal fra sensoren (6) for a finne de tilsvarende amplitude- og faseresponser for vibrasjonssignalet for nevnte tester, - a regne ut en første verdi ved a multiplisere den komplekse coggingamplitude for det anvendte kompenseringssignal for a-testen med den komplekse amplitude for det vibrasjonssignal som representerer vibrasjoner som er resultat av coggingdreiemomentet i b-testen, - a regne ut en andre verdi ved a multiplisere den komplekse coggingamplitude for det anvendte kompenseringssignal for b-testen med den komplekse amplitude for det vibrasjonssignal som representerer vibrasjoner som er resultat av coggingdreiemomentet i a-testen, - a regne ut den ønskede, komplekse coggingkompenseringsamplitude ved a dividere differansen mellom nevnte første verdi og nevnte andre verdi med differansen mellom de komplekse amplituder for de vibrasjonssignaler som representerer vibrasjoner som er resultat fra b-testen og a-testen, - a anvende et coggingkompenseringsdreiemoment pa maskinen (1) basert pa den ønskede, komplekse cogging-kompensermgsamplitude

2 Fremgangsmåte i overensstemmelse med krav 1, karakterisert ved at fremgangsmåten innbefatter - a male i det minste én av størrelsene vinkelhastighet eller vinkelakselerasjon til rotoren, statoren eller differansen mellom de to ved bruk av en vibrasjonssensor som er festet til maskinen eller dennes fundament

3 Fremgangsmåte i overensstemmelse krav 1, karakterisert ved at fremgangsmåten innbefatter - a kjøre de aktive tester med to forskjellige kompen-seringssignaler, hvor én eller flere harmoniske frekvenser for cogginggrunnfrekvensen blir lagt til til det innstilte dreiemoment fra hastighetsregulatoren

4 Fremgangsmåte i overensstemmelse med krav 1, karakterisert ved at fremgangsmåten innbefatter - a anvende en posisjons- eller tidsbasert Fourier analyse av det ra eller det behandlede hastighetssignal for a finne de tilsvarende amplitude- og faseresponser for hastigheten for testene ifølge krav 1

5 Fremgangsmåte i overensstemmelse med krav 4, karakterisert ved at hastigheten forut for Fourier analyse blir korrigert for uharmoniske variasjoner ved - a regne ut delgjennomsnitt av hastighet og vinkel over intervaller som representerer heltall

6 Fremgangsmåte i overensstemmelse med krav 1, karakterisert ved at det behandlede hastighetssignal blir korrigert for uharmoniske variasjoner ved - a regne ut delgjennomsnitt av hastighet og vinkel over intervaller som representerer heltall av coggmg-perioden - a tilpasse en polynomial funksjon til nevnte gjennomsnitt - a subtrahere den tilpassede funksjon fra hastighets-rasignalet hvilket gjør et dynamisk hastighetssignal bedre egnet for Fourier analyse