WO2007085331A1

WO2007085331A1 - Verfahren zum geberlosen betrieb einer stromrichtergespeisten, permanenterregten synchronmaschine mit einem pseudorausch-testsignal

Info

Publication number: WO2007085331A1
Application number: PCT/EP2006/069765
Authority: WO
Inventors: Thorsten Frenzke
Original assignee: Siemens Aktiengesellschaft
Priority date: 2006-01-27
Filing date: 2006-12-15
Publication date: 2007-08-02
Also published as: DE102006004034A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum feldorientierten Betrieb einer stromrichtergespeisten, geberlosen, permanenterregten Synchronmaschine (2), wobei mittels eines einem Sollstrom-Raumzeiger (idRef, iqRef) überlagerten Testsignals ein geschätzter Polradlagewinkel (γ) und eine geschätzte Läuferkreisfrequenz (ϖ) fortlaufend korrigiert werden. Erfindungsgemäß ist als Testsignal ein zeitdiskretes Pseudorausch-Signal mit einer relativ langen Grundperiodendauer vorgesehen. Somit erhält man ein Verfahren zum geberlosen Betrieb einer stromrichtergespeisten, permanenterregten Synchronmaschine (2), das erheblich weniger tonale Motorgeräusche verursacht.

Description

Beschreibung

VERFAHREN ZUM GEBERLOSEN BETRIEB EINER STROMRICHTERGESPEISTEN, PERMANENTERREGTEN SYNCHRONMASCHINE MIT EINEM PSEUDORAUSCH-TESTSIGNAL

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum geberlosen, feldorientierten Betrieb einer stromrichtergespeisten, perma^¬ nenterregten Synchronmaschine, wobei mittels eines einen Sollstrom-Raumzeiger überlagerten Testsignals ein geschätzter Rotorlager-Istwert und ein geschätzter Drehzahl-Istwert fort^¬ laufend korrigiert werden.

Zur dynamischen Regelung von Drehfeldmaschinen, insbesondere permanenterregten Synchronmaschinen, wird üblicherweise das Verfahren der feldorientierten Regelung eingesetzt. Dabei wird ein Raumzeiger gemessener Maschinenströme in zwei Kompo^¬ nenten zerlegt, die sich durch Projektion in Richtung des von den Permanentmagneten erzeugten Fluss-Raumzeigers (Längsach^¬ se) bzw. senkrecht dazu (Querachse) ergeben. Durch Regelung der beiden Stromkomponenten in diesem relativ zur Rotorlage festen Koordinatensystem kann das gewünschte Drehmoment und der Ständerfluss der Maschine eingestellt werden.

Für die Feldorientierung bei permanenterregten Synchronma- schinen muss die elektrische Lage des von den Magneten er^¬ zeugten Flusses bekannt sein, die zwar fest mit der mechani^¬ schen Läuferlage verbunden ist, sich bei Drehung der Maschine aber auch verändert. Oft wird zur Vorsteuerung einer Stromre^¬ gelung oder für eine überlagerte Drehzahlregelung außerdem noch die Drehzahl benötigt. Zur Bestimmung einer Polradlage und einer Drehzahl werden in der Regel spezielle Rotorlage- messsysteme eingesetzt. Diese Messsysteme sind aber meist sehr teuer, erfordern eine genaue und damit aufwändige Justa- ge, erhöhen das Gewicht und beanspruchen einen Einbauraum in der Maschine. Die zusätzlich erforderlichen Signalleitungen erhöhen die Wahrscheinlichkeit eines fehlerhaften Anschlusses mit Fehlfunktionen oder Folgeschäden. Bei Einsatz unter schwierigen Umgebungsbedingungen wie mechanischen Erschütterungen und hohen Temperaturen kann die Zuverlässigkeit des Antriebs durch die Empfindlichkeit des Messsystems stark be^¬ einträchtigt werden.

Es sind verschiedene Verfahren zum Betrieb von permanenterregten Synchronmaschinen ohne Rotorlagegeber bekannt, die die erwähnten Nachteile vermeiden, indem sie die mechanischen Lagegeber überflüssig machen. Die Rotorlage wird dabei meist mit Hilfe eines Maschinenmodells aus den gemessenen Maschi^¬ nenströmen bestimmt. Auf eine Messung der Maschinenspannung wird fast immer verzichtet, da diese zu ungenau ist und zu^¬ sätzlichen Aufwand verursacht. Stattdessen werden die Motorspannungen aus bekannten Größen berechnet. Sehr oft werden auch die Sollspannungen der Regelung verwendet.

Die einfachsten Verfahren für einen geberlosen Betrieb verwenden nur ein Grundwellenmodell der Maschine, um die vom Läufer im Ständer induzierten Spannungen und damit den Rotor- fluss zu rekonstruieren und daraus auf die Rotorlage und die Rotordrehzahl zurück zu schließen. Aufwändigere Verfahren kombinieren solch ein Grundwellenmodell mit Beobachterstrukturen oder stochastischen optimalen Filtern, um die Ergebnisse für die berechnete Lage und Drehzahl zu verbessern.

All diesen Verfahren ist prinzipiell gemeinsam, dass sie erst ab einer ausreichend hohen Drehzahl bzw. Ständerfrequenz zuverlässig arbeiten, da die drehzahlproportionale elektromoto^¬ rische Kraft (EMK) nur dann genügend hoch über den unvermeid- liehen Störeinflüssen liegt. Im unteren Drehzahlbereich ist deshalb meist nur ein gesteuertes Anfahren des Antriebs mög^¬ lich. Dies ist für viele Anwendungen aber nicht akzeptabel.

Es sind auch Verfahren zum geberlosen Betrieb einer strom- richtergespeisten, permanenterregten Synchronmaschine bekannt, die die Rotorlage auch im Bereich sehr niedriger Drehzahlen und bei Stillstand zuverlässig ermitteln. Beispiels- tion and Velocity Estimation for a Salient-Pole Permanent Magnet Synchronous Machine at Standstill and High Speeds" veröffentlicht in der Zeitschrift "IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRY APPLICATIONS", Vol. 34, No. 4, July/August 1998, Seiten 784 bis 789, ein Verfahren bekannt, das mit Berücksichtigung der drehzahlbedingten Querkopplung und mit einer Beobachterstruktur für die Frequenzregelung ausgestattet ist. Außerdem wird eine synchrone Gleichrichtung zur Bestimmung der Querkomponente des Stromes eingesetzt. Bei dieser Mo- torsteuerung wird ebenfalls ein sinusförmiges Testsignal ver^¬ wendet, das jedoch in der momentenbildenden Achse überlagert wird. Dies verursacht ein mit der Testfrequenz pulsierendes Drehmoment, was zum Pfeifen und zu mechanischen Schwingungen führt. Dafür ergibt sich eine bessere Entkopplung der Lageer- kennung vom Stromregelkreis.

Auch aus den Veröffentlichungen mit dem Titel "Transducerless Position and Velocity Estimation in Induction and Salient AC Machines", abgedruckt in der Zeitschrift "IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRY APPLICATIONS", Vol. 31, No. 2, March/April 1995, Seiten 240 bis 247, und mit dem Titel "Induction Motor Speed Estimator and Synchronous Motor Position Estimator Based on a Fixed Carrier Frequency Signal", abgedruckt in der Zeit^¬ schrift "IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL ELECTRONICS, Vol. 43, No. 4, August 1996, Seiten 505 bis 509, sind Verfahren zum geberlosen Betrieb einer stromrichtergespeisten, permanenterregten Synchronmaschine bekannt, bei der die Rotorlage auch im Bereich sehr niedriger Drehzahlen und bei Stillstand zuverlässig ermittelt wird. Bei diesen bekannten Verfahren wird jeweils ein Testsignal mit einer festen Frequenz, die zudem meist einen annähernd sinusförmigen Verlauf haben, eingesetzt. Die Frequenz liegt dabei deutlich unterhalb der Wechselrichter-Schaltfrequenz, meist im Bereich oberhalb von 10OHz bis zu einigen kHz. Die feste Frequenz bietet unter an- derem den Vorteil, dass sich aus den an der Maschine gemesse^¬ nen Größen durch Bandpassfilterung die bezüglich der Lage relevante Information relativ einfach extrahieren lässt und durch die schmalbandige Filterung der Signal-Störabstand ver^¬ bessert wird.

Nachteilig an diesem Verfahren ist, dass es zu störenden a- kustischen Begleiterscheinungen kommt. Durch die feste Testsignalfrequenz werden einige wenige Frequenzen im Spektrum der zusätzlichen Motorgeräusche besonders angeregt. Falls da^¬ bei zudem noch mechanische Resonanzen am Motor oder in der Umgebung angeregt werden, treten diese Frequenzen besonders hervor. Eine solche starke Tonalität des von der Maschine verursachten Maschinenlärms, z.B. ein Pfeifen bei Testsigna^¬ len im kHz-Bereich, wird vom Menschen als besonders lästig empfunden .

Ein weiterer Nachteil dieser bekannten Verfahren ergibt sich bei Anwendungen, die besonders kritisch bezüglich der Netzrückwirkungen sind, wie z.B. in der Bahntraktion. Die Pulswechselrichter-Taktung erzeugt unerwünschterweise Netzrückwirkungen bei verschiedenen Frequenzen, bei den üblichen Tak- tungsverfahren meist bei Vielfachen der Pulsfrequenz. Diese müssen durch die Antriebsauslegung und geeignete Filtermaßnahmen so weit gedämpft werden, dass im speisenden Gleichstrom- oder Wechselstrom-Netz keine unzulässigen Störstromkomponenten erzeugt werden, die beispielsweise Gleissiche- rungsanlagen stören könnten.

Bei einer TestsignalaufSchaltung mit fester Frequenz können bei bestimmten Arbeitspunkten und Drehzahlen aber Störströme mit unzulässig hoher Amplitude mit kritischen Frequenzberei- chen erzeugt werden. Als besonders ungünstig erweist sich hier die ständerfeste Einprägung der Testsignale, da die Fre^¬ quenz der Hauptkomponenten der erzeugten Störströme von der Drehzahl abhängt.

Durch eine geeignete Wahl der festen Testsignalfrequenz lassen sich unzulässige Netzrückwirkungen zwar theoretisch vermeiden, in der Praxis erweist sich dies allerdings als dingungen zu berücksichtigen sind und einige Wechselwirkungen und Einflussgrößen oft erst am Antrieb selbst untersucht wer^¬ den können.

Aus der Veröffentlichung "Position-sensorless control of di- rect drive permanent magnet synchronous motors for railway traction", abgedruckt in "Proceedings PESC04 Conference", Aa^¬ chen, Juni 2004, ist ebenfalls ein Verfahren zum geberlosen Betrieb einer stromrichtergespeisten permanenterregten Syn- chronmaschine bekannt, bei dem ein Testsignal konstanter Fre^¬ quenz nicht nur einem Sollstrom-Raumzeiger, sondern auch einem Sollspannungs-Raumzeiger überlagert wird. Die in diesem Konferenzbericht gezeigte Regeleinrichtung weist eine itera^¬ tiv lernende Regelung auf, die dafür sorgt, dass ein abge- speicherter und ein realisierter Teststromverlauf im statio^¬ nären Fall übereinstimmen, so dass keine unnötigen Stromreserven vorzuhalten sind. Dieser Veröffentlichung ist ebenfalls zu entnehmen, dass das Testsignal zusätzliche Verluste und ein akustisches Geräusch verursacht. Deshalb wird dieses Testsignal abgeschaltet, sobald die Schätzung durch das Span^¬ nungsmodell zuverlässig arbeitet.

Aus der DE 102 26 974 Al ist ein Verfahren zur Bestimmung einer Rotorlage einer feldorientiert betriebenen Drehfeldma- schine, die eine von der Rotorlage abhängige wirksame Induk^¬ tivität aufweist, bekannt. Bei diesem Verfahren wird durch die Synchronisierung eines Testraumzeigers auf eine Pulswei^¬ tenmodulation einer feldorientierten Regelung der Drehfeldmaschine mit einer von der Rotorlage abhängigen wirksamen In- duktivität eine hohe nutzbare Bandbreite erreicht. Außerdem wird durch diese Synchronität des Testraumzeigers mit der Pulsweitenmodulation eine saubere Entkopplung des von der feldorientierten Regelung geforderten Spannungs-Raumzeigers und des Testraumzeigers ermöglicht. Bei diesem Verfahren wird die Richtung des Testraumzeigers so der ermittelten Rotorlage nachgeführt, dass dieser in der d-Achse der feldorientiert betriebenen Drehfeldmaschine liegt. Dadurch wird von einem Drehmoment erzeugt. Dadurch wird die Geräuschentwicklung der Drehfeldmaschine bei der sensorlosen Rotorlagebestimmung wesentlich reduziert.

Bei den erwähnten Verfahren zum Betrieb von permanenterregten Synchronmaschinen ohne Rotorlagegeber besteht also der Nachteil, dass sie entweder erst ab einer ausreichend hohen Dreh^¬ zahl zuverlässig arbeiten oder durch Einprägung von Testsignalen mit einer festen Frequenz stark tonale, als lästig emp- fundene Motorgeräusche verursachen und unzulässige Netzrück^¬ wirkungen erzeugen.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum feldorientierten, geberlosen Betrieb einer permanenter- regten Synchronmaschine anzugeben, das erheblich weniger tonale Motorgeräusche verursacht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit dem kennzeichnenden Merkmal des Anspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen dieses erfindungsgemäßen Verfahrens sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Durch die Verwendung eines zeitdiskreten Pseudo-Rauschsignals als Testsignal, insbesondere ein Pseudo-Rauschsignal mit ei^¬ ner relativ langen Grundperiodendauer, wird erreicht, dass die Spitzenwerte im Frequenzspektrum des Testsignals deutlich reduziert werden können, indem die Anregung gleichmäßig über ganze Frequenzbereiche verteilt wird. Ein Pseudo-Rauschsignal mit einer relativ langen Grundperiodendauer ist dadurch gekennzeichnet, dass im dazugehörigen Frequenzspektrum viele Spektrallinien mit kleinen Amplituden vorhanden sind. Somit ähnelt dieses Pseudo-Rauschsignal mit relativ langer Grundpe^¬ riodendauer einem Rauschsignal. Ein Testsignal mit fester Frequenz weist demgegenüber ein Frequenzspektrum mit einer oder wenigen Spektrallinien mit hoher Amplitude auf. Die vom erfindungsgemäßen Testsignal verursachten Motorgeräusche verlieren so ihren stark tonalen Charakter und werden daher, auch bei gleicher Lautstärke, meist als weniger lästig empfunden. Falls zusätzlich andere Lärmquellen, beispielswei- se ein Lüfter, vorhanden sind, kann es sein, dass das erfindungsgemäße Testsignal durch psychoakustische Verdeckungsef^¬ fekte weniger wahrgenommen oder unhörbar wird.

Das Pseudorausch-Testsignal kann offline generiert und opti- miert werden und dann in einem Festwertspeicher einer feldorientierten Regelung der geberlosen, permanenterregten Synchronmaschine hinterlegt und dort im laufenden Betrieb ausge^¬ lesen werden.

Bei der Generierung eines Pseudorausch-Testsignals können verschiedene Auswahl- oder Optimierungskriterien einfließen. Diese sind beispielsweise:

- ausreichende hohe Stromänderungen in einem bestimmten, kurzen Zeitraum, um läuferfeste Anisotropien häufig und genau auswerten und daraus die Lage zuverlässig ermit^¬ teln zu können

- gewünschte Eigenschaften im Frequenzspektrum der resultierenden Testströme bzw. Testspannungen, beispielsweise möglichst gleichmäßige Verteilung über breite Frequenz^¬ bänder oder minimale Anregung bei einzelnen bestimmten Frequenzen/Frequenzbändern

- verschwindender Gleichanteil

- minimaler Spitzenwert des Betrages des Teststromes, wo- durch die benötigte Stromreserve minimal wird

- minimaler Spitzenwert des Betrages der Testspannung, wodurch die benötigte Spannungsreserve minimal wird.

Es können aber auch weitere Kriterien wie z.B. die psycho- akustische Wirkung des Testsignals, der Realisierungsaufwand, ..., berücksichtigt werden. Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der mehrere Ausführungsformen einer feldorientiert betriebenen stromrichtergespeisten, geberlosen, permanenterregten Synchronmaschine schematisch veranschau- licht sind.

Figur 1 zeigt in einem Diagramm über der Zeit ein erfindungsgemäßes Testsignal, wobei in der

Figur 2 in einem Diagramm über der Zeit ein Zeitverlauf ei- nes bekannten Testsignals mit fester Frequenz dargestellt ist, in der

Figur 3 sind in einem Diagramm über der Frequenz jeweils ein Frequenzspektrum der Testsignale gemäß der Figuren 1 und 2 dargestellt, die Figur 4 zeigt eine bekannte feldorientierte Regelung einer geberlosen, permanenterregten Synchronmaschine mit einem erfindungsgemäßen Testsignal, die

Figur 5 zeigt eine weitere vorteilhafte bekannte feldorien^¬ tierte Regelung einer geberlosen, permanenterregten Snychronmaschine mit einem erfindungsgemäßen Test^¬ signal, die

Figur 6 zeigt eine Vorrichtung zur Generierung eines geschätzten Lage- und Drehzahlistwertes, und die

Figur 7 zeigt eine weitere vorteilhafte feldorientierte Re- gelung einer geberlosen, stromrichtergespeisten, permanenterregten Synchronmaschine mit einem erfindungsgemäßen Testsignal.

In der Figur 1 ist in einem Diagramm über der Zeit t der Zeitverlauf eines erfindungsgemäßen Testsignals normiert dar^¬ gestellt. In der Figur 2 ist zum Vergleich in einem Diagramm über der Zeit t (Abtastschritte) der Zeitverlauf eines be^¬ kannten Testsignals mit einer festen Frequenz normiert darge^¬ stellt. Da dieses bekannte Testsignal für eine Anwendung bei einer niedrigen Pulsfrequenz eines eine geberlose permanent^¬ erregte Synchronmaschine speisenden Stromrichters konzipiert ist, weist dieses bekannte Testsignal eher einen block- als

. „ η _^,.4T _^ _ _jr den Frequenzspektren f_spc und f_spv sind gemeinsam in einem Diagram der Figur 3 über der Frequenz (normiert auf Abtastfrequenz) dargestellt. Da als erfindungsgemäßes Testsignal ein zeitdiskretes Pseudorausch-Signal mit relativ langer Grundpe- riodendauer vorgesehen ist, weist ein zugehöriges Frequenzspektrum f_spv viele Spektrallinien mit kleinen Amplituden A_spv auf. Das zum bekannten Testsignal mit fester Frequenz zugehö^¬ rige Frequenzspektrum f_spc weist dagegen nur eine Spektrallinien mit einer sehr hohen Amplitude A_spc auf. Da durch das Pseudorauschsignale als Testsignale die Anregung der geberlo^¬ sen permanenterregten Synchronmaschine gleichmäßig über ganze Frequenzbereiche verteilt werden, wird erreicht, dass die Amplitudenwerte der Spektrallinien im Frequenzspektrum deutlich reduziert werden. Dadurch werden bezüglich der Netzrück- Wirkungen gleichzeitig einzelne unzulässig hohe Störstromamp^¬ lituden bei kritischen Frequenzen vermieden.

Es ist besonders vorteilhaft, wenn das erfindungsgemäße Test^¬ signal offline generiert wird. Dadurch können bei der Gene- rierung dieses Pseudorausch-Signal verschiedene Auswahl- oder Optimierungskriterien angewendet werden. Ein derartig generiertes Pseudorausch-Signal wird dann beispielsweise in einem Festwertspeicher einer feldorientierten Regelung einer stromrichtergespeisten geberlosen permanenterregten Synchronma- schine hinterlegt. Von diesem Festwertspeicher wird im lau^¬ fenden Betrieb dieses offline generierte Pseudorausch-Signal ausgelesen .

Ein Blockschaltbild einer bekannten einfachen feldorientier- ten Regelung einer stromrichtergespeisten, geberlosen, permanenterregten Synchronmaschine ist in der Figur 4 schematisch dargestellt. In diesem Blockschaltbild sind mit 2 eine geber^¬ lose, permanenterregte Synchronmaschine, mit 4 ein lastseiti- ger Stromrichter, insbesondere ein selbstgeführter Pulsstrom- richter, mit 6 ein Steuersatz, auch als Modulator bezeichnet, mit 8 eine Grundschwingungs-Stromregelung, mit 10 eine Recheneinrichtung und 12 ein Modell, insbesondere ein Wechsel- tierte Regelung noch zwei Koordinatenwandler 14 und 16 und zwei Vektordreher 18 und 20 auf. Mittels zweier Stromwandler 22 und 24 und des Koordinatenwandlers 14 werden aus zwei ge^¬ messenen Maschienstrom-Istwerten i_a und i_c zwei orthogonale Stromkomponenten i_α und iß eines Maschinenstrom-Istraumzeigers generiert. Dieser Maschinenstrom-Istraumzeiger i_α, iß ist noch ständerorientiert. Mit Hilfe des ersten Vektordreher 18 wird dieser ständerorientierte Maschinenstrom-Istraumzeiger i_α, iß in einen lauferflussorientierten Maschinen- strom-Istraumzeiger i_d, i_q gedreht. Die eine Stromkomponente i_d dieses lauferflussorientierten Maschienenstrom-Istraum- zeigers erstreckt sich in Richtung des von den Permanentmag^¬ neten erzeugten Fluss-Raumzeigers, wogegen die andere Strom^¬ komponente i_q sich senkrecht dazu erstreckt. Damit das stän- derorientierte kartesische Koordinatensystem a, b in das flussfeste Koordinatensystem d, q gedreht werden kann, muss die elektrische Lage des von den Magneten erzeugten Flusses der permanenterregten Synchronmaschine 2 bekannt sein. Diese elektrische Lage ist zwar fest mit der mechanischen Läuferla- ge verbunden, die sich bei Drehung der permanenterregten Synchronmaschine 2 aber auch verändern kann. Deshalb benötigt dieser Vektordreher 18 den Polradlagewinkel γ.

Der ständerorientierte Maschinenstrom-Istraumzeiger i_α, iß wird zusammen mit einem generierten ständerorientierten Ma- schinenspannungs-Istraumzeiger u_α, Uß der Recheneinrichtung 10 zugeführt. Eine Ausführungsform dieser Recheneinrichtung 10 ist in der Figur 6 näher dargestellt. Der ständerorientierte Maschinenspannungs-Istraumzeiger u_α,Uß wird mittels des Wechselrichtermodells 12, dem eine gemessene Zwischen- kreisspannung u_zw, Steuersignale S_v und Maschinenstrom- Istwerte i_a, i_c und daraus berechneten i_b zugeführt sind, und mittels des zweiten Vektordrehers 16 ermittelt. An den Aus^¬ gängen des Wechselrichtermodells 12 stehen die Maschinenspan- nungs-Istwerte u_a, u_b und u_c an. Im einfachsten Fall können auch die Maschinenspannungs-Sollwerte u_αRef und Uß_Ref der feld^¬ orientierten Regelung verwendet werden. Die Recheneinrichtung Istkomponenten i_α und iß des Maschinenstrom-Istraumzeigers und den ständerorientierten Maschinenspannungs-Istkomponenten u_αund Uß des Maschinenspannungs-Istraumzeigers einen Polrad^¬ lagewinkel γ und eine Läuferkreisfrequenz ώ. Da diese Werte berechnet und nicht messtechnisch ermittelt sind, handelt es sich bei diesen Werten um Schätzwerte, die in der feldorientierten Regelung mit einem "Λ" versehen sind. Der geschätzte Polradlagewinkel γ wird als Drehwinkel für die beiden Vek^¬ tordreher 18 und 20 verwendet, wogegen die geschätzte Läufer- kreisfrequenz ώ für eine nicht näher dargestellte übergeord^¬ nete Drehzahlregelung und zur Vorsteuerung der Stromregelung 8 verwendet wird. Dazu wird diese geschätzte Läuferkreisfre^¬ quenz ώ einer Vorsteuereinrichtung 26 zugeführt, an deren Eingängen feldorientierte Maschinenstrom-Sollwerte i_gR_ef und iqRef anstehen.

Die Grundschwingungs-Stromregelung 8 weist außer dieser Vorsteuereinrichtung 26 noch für jede der beiden Stromkomponenten igRef und iqRef eines feldorientierten Maschinenstrom- Sollraumzeigers jeweils einen Stromregler 28 und 30 mit vor^¬ geschaltetem Vergleicher 32 und 34 auf. Ausgangsseitig sind diese Stromregler 28 und 30 jeweils mit einem Addierer 36 und 38 verknüpft, an deren zweiten Eingängen jeweils ein weiterer Addierer 40 und 42 angeschlossen ist. Diese Addierer 40 und 42 sind jeweils mit einem ersten Eingang mit einem Ausgang der Vorsteuereinrichtung 26 verknüpft.

Da diese stromrichtergespeiste, permanenterregte Synchronma^¬ schine 2 geberlos ist, wird zur Bestimmung der Rotorlage (Polradlagewinkel γ) und der Drehzahl (Läuferkreisfrequenz ώ) ein Testsignal benötigt. Dazu weist die feldorientierte Regelung der stromrichtergespeisten, geberlosen, permanenterregten Synchronmaschine 2 einen Testsignal-Generator 44 auf. Diesem Testsignal-Generator 44 ist ein Spitzenwert i_t des Be- träges eines zu generierenden Teststrom-Raumzeigers itdRefr itqRef zugeführt. Ebenfalls generiert dieser Testsignal- Generator 44 einen Testspannungs-Raumzeiger u_tdRefr u_tqRef. Erfindungsgemäß ist dieser Testsignal-Generator 44 so ausgebildet, dass dieser ein zeitdiskretes Pseudorausch-Signal mit einer relativ langen Grundperiodendauer gemäß dem Zeitverlauf der Figur 1 generiert. Die Komponenten itdRef und itqRef des Teststrom-Raumzeigers werden jeweils einem Vergleicher 32 bzw. 34 der Grundschwingungs-Stromregelung 8 zugeführt. Die Komponenten u_tdRef und u_tqRef des Testspannungs-Raumzeigers wer^¬ den einem Eingang des Addierers 40 bzw. 42 zugeführt. Durch die Verwendung eines zeitdiskreten Pseudorausch-Signals als Testsignal anstelle eines Testsignals mit fester Frequenz verlieren die vom Testsignal erzeugten Motorgeräusche ihren stark tonalen Charakter, so dass diese selbst bei gleicher Lautstärke wesentlich weniger lästig empfunden werden. Sind zusätzliche Lärmquellen wie ein Lüfter vorhanden, so wird das Pseudorausch-Testsignal durch psychoakustische Verdeckungsef^¬ fekte kaum noch wahrgenommen bzw. ganz unhörbar.

In der Figur 5 ist ein Blockschaltbild einer vorteilhaften feldorientierten Regelung einer stromrichtergespeisten, ge- berlosen, permanenterregten Synchronmaschine 2 näher dargestellt. Diese vorteilhafte feldorientierte Regelung unter^¬ scheidet sich von der feldorientierten Regelung gemäß Figur 4 dadurch, dass der Ausgang der Recheneinrichtung 10, an dem ein Schätzwert der Läuferkreisfrequenz ώ der permanent er- regten Synchronmaschine 2 ansteht, dem Testsignal-Generator 44 zugeführt ist. Dieser Testsignal-Generator 44 ist in dieser Ausführungsform noch mit einem Multiplizierer 46 und einem Kennlinienglied 48 versehen. Ausgangsseitig ist dieses

Kennlinienglied 48 mit einem Eingang des Multiplizierers 46 verknüpft, an dessen anderen Eingang der Spitzenwert i_t des

Betrages eines zu generierenden Teststrom-Raumzeigers itdRef, itqRef ansteht. Ausgangsseitig ist dieser Multiplizierer 46 mit einem Eingang des Testsignal-Generators 44 verknüpft. Das Kennlinienglied 48 ist eingangsseitig mit dem Ausgang der Re- cheneinrichtung 10 verbunden, an dem ein Schätzwert der Läuferkreisfrequenz ώ der geberlosen, permanenterregten Synchronmaschine 2 ansteht. Damit kann das Testsignal bei höhe- schaltet werden, wenn es für die Funktion der Recheneinrichtung 10 nicht mehr benötigt wird. Diese Struktur dieser feld^¬ orientierten Regelung einer stromrichtergespeisten, geberlosen, permanenterregten Synchronmaschine 2 ist an sich be- kannt, wobei der Testsignal-Generator 44 jedoch ein Testsignal mit fester Frequenz generiert.

In der Figur 6 ist ein Blockschaltbild einer Ausführungsform der Recheneinrichtung 10 näher dargestellt. Diese Ausfüh- rungsform der Recheneinrichtung 10 ist aus dem bereits genannten Konferenzbericht mit dem Titel "Position-sensorless control of direct drive permanent magnet synchronous motors for railway traction" bekannt. Das Wesentliche an dieser Re^¬ cheneinrichtung 10, die ebenfalls als Beobachter bezeichnet wird, ist, dass diese zwei Modelle 50 und 52 für die Bestim^¬ mung eines Polradlagewinkels γ aufweist. Diese beiden ge^¬ schätzten Polradlagewinkelfehler Δ γ_v und Δ Y₁ werden mit einem Faktor g_v bzw. q_τ gewichtet, wobei die Abweichung Δγ zur

Korrektur der geschätzten Läuferkreisfrequenz ώ und zur Kor- rektur des Polradlagewinkels γ verwendet werden. Der Gewich^¬ tungsfaktor g_v steht am Ausgang eines weiteren Kennlinienge^¬ bers 76 an. Der Gewichtungsfaktor g_∑ wird aus dem Gewichtungsfaktor g_v hergeleitet, in dem diesem eine Eins aufad^¬ diert wird. Außerdem weist diese Recheneinrichtung 10 noch Konstantfaktoren 54, 56 und 58 und Integratoren 60 und 62 auf. Eingangsseitig weist diese Recheneinrichtung 10 zwei Vektordreher 64 und 66 auf, mit denen die Komponenten u_α und Uß des ständerorientierten Maschinenspannungs-Istraumzeigers und die Komponenten i_α und iß des ständerorientierten Maschi- nenstrom-Istraumzeigers jeweils in Komponenten Ud, u_q und id, i_q eines feldorientierten Maschinenspannungs- und Maschinen^¬ strom-Istraumzeigers gewandelt werden.

In der Figur 7 ist ein Blockschaltbild einer weiteren vor- teilhaften feldorientierten Regelung einer stromrichtergespeisten, geberlosen, permanenterregten Synchronmaschine 2 näher dargestellt. Diese weitere vorteilhafte feldorientierte orientierten Regelung der Figur 5 dadurch, dass zusätzlich ein Testsignal-Regler 68 vorgesehen ist. Dieser Testsignal- Regler 68 ist eingangsseitig einerseits mit den Ausgängen des Vektordrehers 18 und andererseits mit den Ausgängen des Test- signal-Generators 44 verknüpft, an denen die Komponenten itdRef und itqRef eines Teststrom-Raumzeigers anstehen. Aus- gangsseitig ist dieser Testsignal-Regler 68 mit seinen beiden Ausgängen jeweils mit einem Addierer 70 und 72 verbunden, die ausgangsseitig mit einem Eingang der beiden Addierer 40 und 42 verknüpft sind.

Diese Ausführungsform der weiteren vorteilhaften feldorientierten Regelung einer stromrichtergespeisten, geberlosen, permanenterregten Synchronmaschine 2 ist ebenfalls aus dem bereits genannten Konferenzbericht mit dem Titel "Position- sensorless control of direct drive permanent magnet synchro- nous motors for railway traction" bekannt. Gegenüber dieser bekannten Ausführungsform generiert der Testsignal-Generator 44 der Ausführungsform gemäß Figur 7 ein zeitdiskretes Pseu- dorausch-Signal mit einer relativ langen Grundperiodendauer gemäß dem Zeitverlauf der Figur 1.

Durch die Verwendung des Testsignal-Reglers 68 wird erreicht, dass ein abgespeicherter und ein realisierter Teststromver- lauf im stationären Fall übereinstimmen, so dass keine unnötigen Stromreserven vorgehalten werden müssen. Durch die Verwendung des Pseudorausch-Signals als Testsignal gegenüber ei^¬ nem Testsignal mit fester Frequenz wird zusätzlich erreicht, dass die vom Testsignal erzeugten Motorgeräusche ihren stark tonalen Charakter verlieren und dadurch selbst bei gleicher Lautstärke wesentlich weniger als lästig empfunden werden. Beim Vorhandensein zusätzlicher Lärmquellen, z.B. Lüfter, wird das Pseudorausch-Signal durch psychoakustische Verde^¬ ckungseffekte weniger wahrgenommen bzw. ganz unhörbar.

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zum feldorientierten Betrieb einer stromrichtergespeisten, geberlosen, permanenterregten Synchronmaschine (2), wobei mittels eines einem Sollstrom-Raumzeiger (i_gRef, iqRef) überlagerten Testsignals ein geschätzter Polradlagewin^¬ kel (γ) und eine geschätzte Läuferkreisfrequenz (ώ) fortlau^¬ fend korrigiert werden, dadurch gekennzeichnet, dass als Testsignal ein zeitdiskretes Pseudorausch-Signal mit einer relativ langen Grundperiodendauer vorgesehen ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Pseudorausch-Signal einem Sollspannungs-Raumzeiger

(utdRef, utqRef) überlagert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Frequenzspektrum des Pseudorausch-Signals eine hohe Anzahl von Spektrallinien kleiner Amplitude (A_spr, A_spv) aufweist .

4. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Pseudorausch-Signal einen geringen Gleichanteil aufweist.

5. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Spitzenwert ( i_t ) des Betrages des

Pseudorausch-Signals minimal ist.

6. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zeitdiskrete Pseudorausch-Signal offline generiert wird.

7. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zeitdiskrete Pseudorausch-Signal nur wenige diskrete Werte annimmt.