WO2007096021A1 - Verfahren zum bestimmen einer induktivität eines motors - Google Patents

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    • G01R27/2611—Measuring inductance
    • G—PHYSICS
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    • G01R31/34—Testing dynamo-electric machines
    • G01R31/343—Testing dynamo-electric machines in operation

Definitions

  • the present invention relates to a method for determining an inductance of a winding of an electric motor
  • the object of the present invention is therefore to simplify the determination of an inductance characteristic of an electric motor.
  • this object is achieved by a method for determining an inductance of a winding of an electric motor by impressing a current through the winding with a non-periodic current offset component and a periodic current component, so that the motor accelerates, providing a voltage signal with respect to the winding and determining a voltage interference component and a periodic voltage component thereof and determining the inductance of the winding from the periodic current component or a measured, periodic current signal and the periodic voltage component.
  • the above object is achieved by a method of determining an inductance of a winding of an electric motor by applying a voltage to the winding with a non-periodic voltage offset portion and a periodic voltage component so that the motor accelerates providing a current signal relative to one Current through the winding and determining a Stromstoranteils and a periodic current component thereof and determining the inductance of the winding of the periodic current component and the periodic voltage component or a measured, periodic voltage signal.
  • the invention is based on the finding that it is more favorable to carry out the inductance measurement during an acceleration, since there is often neither a blocking device nor a motor test stand. So it should be the q-inductance (inductance with respect to the torque-generating current) can be measured during the acceleration of the engine. For this purpose, a q-current offset is superimposed with superimposed, sinusoidal alternating signal (torque-generating current) and the Fourier coefficients of the associated signals from current actual value and actual voltage value for the respective sinusoidal frequency are determined. From these coefficients the q-inductance can be calculated. During the acceleration, however, the q-voltage increases, so that a non-continuous transition between the start and end value arises.
  • the DFT or FFT discrete Fourier transformation, fast Fourier transformation
  • the measured signals are implicitly periodically continued and determines the frequency components of this signal generated. If there is a discontinuous transition between the start and end value, the result is strongly dominated by this discontinuity. An exact determination of the frequency components of the signal would not be possible with the DFT or FFT alone.
  • non-periodic noise components in the measured signal To be able to be estimated, non-periodic noise components in the measured signal. To determine the inductance then only the periodic components of the signal are used.
  • the current or voltage interference components can also be well estimated using a polynomial, in particular a polynomial of the second degree. This makes it possible to separate the non-periodic portion of the signals substantially from the periodic component.
  • Fourier coefficients of the periodic current component and the periodic voltage component are calculated to determine the inductance.
  • the inductance can be calculated very precisely in its specific course.
  • the measured voltage u has in the concrete example the course shown in the figure. This too is characterized by a sinusoidal part, which is not a periodic ramp-shaped component is superimposed. The non-periodic portion of the voltage u rises somewhat stronger than the non-periodic portion of the current i.
  • the measured signals of current and voltage can be represented by a signal model that models the expected disturbances (due inter alia to the acceleration of the motor) and the sinusoidal signals.
  • a signal model with sine, cosine and a second degree polynomial can be applied.
  • the polynomial contains the rising voltage (disturbance) during the acceleration of the motor.
  • the factors before the sine and the cosine correspond to the searched Fourier coefficients when the signal is corrected for the current model (in this case around the vector).
  • the signal model can be set as follows for the current signal iq (t) and the voltage signal uq (t):
  • uq (t) ku 0 + kU j / t + ku 2 • t 2 + reu • cos ( ⁇ -1) + imu-sin ( ⁇ -t)
  • the above equations can be obtained, for example, with the method of minimizing the error squares (Gaussian algorithm). to solve.
  • the coefficients before the cosine and the sine are of interest because they correspond to the Fourier coefficients with which the inductance can be calculated.
  • the necessary matrix inversion may be used to compute the sought coefficients before, i. H. carried out offline and corresponding constants are stored for calculation.

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Abstract

Die Messung einer Induktivitätskennlinie eines Motors soll vereinfacht werden. Hierzu ist vorgesehen, in die Wicklung des Motors einen Strom (i) mit einem nicht periodischen Stromoffsetanteil und einem periodischen Stromanteil einzuprägen, so dass der Motor beschleunigt. Eine entsprechende Spannung (u) an der Wicklung wird gemessen und ein Spannungsstöranteil und ein periodischer Spannungsanteil aus der Messung bestimmt. Aus diesen beiden Anteilen lässt sich schließlich die Induktivität der Wicklung ermitteln. Somit kann auf das Blockieren des Motors oder einen teuren Motorprüf stand für die Ermittlung der Induktivitätskennlinie verzichtet werden .

Description

Verfahren zum Bestimmen einer Induktivität eines Motors
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen einer Induktivität einer Wicklung eines elektrischen Motors
Zur Adaption eines Stromreglers eines Elektromotors ist es in der Regel notwendig, die Induktivitäten bzw. Induktivitätsverläufe des Motors genau zu bestimmen. Da es sich bei den Induktivitäten nicht um konstante Größen, sondern unter anderem um stromabhängige Größen handelt, sind entsprechend aufwendige Messungen notwendig. Bislang musste der Motor zur Messung einer so genannten q-Induktivitätslinie blockiert o- der an einen Motorprüfstand auf konstanter Drehzahl gehalten werden. Häufig fehlen jedoch vor Ort diesbezügliche Möglichkeiten, da geeignete Messapparaturen teuer sind. Die Messung der so genannten q-Induktivität spielt für die Stromregleradaption deswegen eine große Rolle, denn mit steigendem Strom nimmt diese Induktivität ab, was eine Adaption im Stromregler erfordert .
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, die Bestimmung einer Induktivitätskennlinie eines elektrischen Motors zu vereinfachen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Bestimmen einer Induktivität einer Wicklung eines elektrischen Motors durch Einprägen eines Stroms durch die Wicklung mit einem nicht periodischen Stromoffsetanteil und einem periodischen Stromanteil, so dass der Motor beschleunigt, Bereitstellen eines Spannungssignals bezüglich der Wicklung und Bestimmen eines Spannungsstöranteils und eines periodischen Spannungsanteils daraus sowie Ermitteln der Induktivität der Wicklung aus dem periodischen Stromanteil oder einem gemessenen, periodischen Stromsignal und dem periodischen Spannungsanteil . Alternativ wird die oben genannte Aufgabe gelost mit Hilfe eines Verfahrens zum Bestimmen einer Induktivität einer Wicklung eines elektrischen Motors durch Anlegen einer Spannung an die Wicklung mit einem nicht periodischen Spannungsoffset- anteil und einem periodischen Spannungsanteil, so dass der Motor beschleunigt, Bereitstellen eines Stromsignals bezuglich eines Stroms durch die Wicklung und Bestimmen eines Stromstoranteils und eines periodischen Stromanteils daraus sowie Ermitteln der Induktivität der Wicklung aus dem periodischen Stromanteil und dem periodischen Spannungsanteil oder einem gemessenen, periodischen Spannungssignal.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass es gunsti- ger ist, die Induktivitatsmessung wahrend einer Beschleunigung durchzufuhren, da oftmals weder eine Blockiereinrichtung noch ein Motorprufstand vorhanden ist. Es soll also die q- Induktivitat (Induktivität bezuglich des momentenbildenden Stroms) wahrend der Beschleunigung des Motors gemessen werden können. Dazu soll ein q-Stromoffset mit überlagertem, sinusförmigem Wechselsignal (momentenbildender Strom) eingeprägt und die Fourierkoeffizienten der zugehörigen Signale aus Stromistwert und Spannungsistwert für die jeweilige Sinusfrequenz ermittelt werden. Aus diesen Koeffizienten lasst sich die q-Induktivitat berechnen. Wahrend der Beschleunigung steigt aber die q-Spannung an, so dass ein nichtstetiger U- bergang zwischen Anfangs- und Endwert entsteht.
Zur Bestimmung der Fourierkoeffizienten wird üblicherweise die DFT oder FFT (diskrete Fouriertransformation, Fast- fouriertransformation) eingesetzt. Hierbei werden die gemessenen Signale implizit periodisch fortgesetzt und die Frequenzanteile dieses so erzeugten Signals bestimmt. Gibt es dabei einen nicht stetigen Übergang zwischen dem Anfangs- und Endwert, wird das Ergebnis stark dominiert durch diese Unstetigkeit. Eine exakte Bestimmung der Frequenzanteile des Signals wäre mit der DFT oder FFT alleine nicht möglich. Um die Frequenzanteile trotz dieser Unstetigkeiten dennoch bestimmen zu können, werden nicht periodische Störanteile in dem gemessenen Signal geschätzt bzw. bestimmt. Zur Ermittlung der Induktivität werden dann nur die periodischen Anteile des Signals verwendet.
Auch die Strom- oder Spannungsstöranteile lassen sich mit einem Polynom, insbesondere einem Polynom zweiten Grades, gut schätzen. Damit ist es möglich, den nicht periodischen Anteil der Signale im Wesentlichen von dem periodischen Anteil zu trennen.
Entsprechend einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden zum Ermitteln der Induktivität Fourierkoeffizienten des periodischen Stromanteils und des periodischen Spannungsanteils berechnet. Auf diese Weise lässt sich die Induktivität in ihrem spezifischen Verlauf sehr exakt berechnen.
Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert, die den Strom- und Spannungsverlauf an einem Motor zur Bestimmung seiner Induktivität darstellt.
Das nachfolgend näher geschilderte Ausführungsbeispiel stellt eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar .
Für die Messung einer Induktivität eines Motors wird diesem ein Strom i eingeprägt, wie er in der Figur dargestellt ist. Dieser Strom enthält einen nicht periodischen Anteil und einen periodischen. Im konkreten Fall ist der sinusförmige Anteil auf Grund der Beschleunigung mit einem stetig ansteigenden Offsetanteil (Istwert) überlagert. Grundsätzlich wird jedoch ein konstanter Offsetanteil (Sollwert) angestrebt.
Die gemessene Spannung u besitzt in dem konkreten Beispiel den in der Figur wiedergegebenen Verlauf. Auch diese ist charakterisiert durch einen sinusförmigen Anteil, dem ein nicht periodischer rampenformiger Anteil überlagert ist. Der nicht periodische Anteil der Spannung u steigt hier etwas starker an als der nicht periodische Teil des Stroms i.
Die gemessenen Signale von Strom und Spannung (Istwerte) lassen sich durch ein Signalmodell darstellen, das die erwarteten Störungen (bedingt unter anderem durch die Beschleunigung des Motors) und die sinusförmigen Signale modelliert. Als konkretes Beispiel kann ein Signalmodell mit Sinus, Kosinus und einem Polynom zweiten Grades angesetzt werden. Das Polynom enthalt die steigende Spannung (Störung) wahrend des Be- schleunigens des Motors. Die Faktoren vor dem Sinus und dem Kosinus entsprechen dem gesuchten Fourierkoeffizienten, wenn man das Signal um das Stormodell bereinigt (hier um das PoIy- nom) . Das Signalmodell lasst sich für das Stromsignal iq(t) und das Spannungssignal uq(t) wie folgt ansetzen:
iq(t) = ki0 + kij/t + ki2 • t2 + rei • cos (ω- 1) + imi-sin (ω-t)
uq(t) = ku0 + kUj/t + ku2 • t2 + reu • cos (ω- 1) + imu-sin (ω-t)
Ziel ist es, aus diesen Gleichungen und der Basisgleichung
Z= j ωL=— U die Induktivität zu berechnen. Dies gelingt durch
Ermitteln der Koeffizienten rei, imi, reu und imu . Prinzi- piell können diese Koeffizienten auch aus Soll- und Istwerten der Strom- und Spannungssignale gewonnen werden.
Zur Berechnung samtlicher Koeffizienten des Signalmodells sind mehr Messpunkte zu gewinnen als Koeffizienten vorhanden sind. Im vorliegenden Beispiel müssen zur Ermittlung der Koeffizienten des Stromverlaufs mehr als fünf Messpunkte ermittelt werden. Üblicherweise wird man jedoch wesentlich mehr Messpunkte ermitteln, da die Signale in der Regel verrauscht sind.
Die obigen Gleichungen lassen sich beispielsweise mit der Methode der Minimierung der Fehlerquadrate (Gauß-Algorithmus) lösen. Dabei sind vor allem die Koeffizienten vor dem Kosinus und dem Sinus von Interesse, denn diese entsprechen den Fou- rierkoeffzienten, mit denen sich die Induktivität errechnen lässt .
Die Berechnung der Koeffizienten der angegebenen Gleichungen ist aufgrund des vergleichsweise geringen Rechenaufwands sogar online, d. h. während der Messung möglich. Gegebenenfalls kann die notwendige Matrixinversion zur Berechnung der ge- suchten Koeffizienten vorher, d. h. offline durchgeführt und entsprechende Konstanten zur Berechnung abgespeichert werden.
In vorteilhafter Weise sind somit zur Bestimmung von Induktivitätsverläufen Ermittlungen von Sinusanteilen bei Messsigna- len, die nicht periodisch fortgesetzt werden können, möglich. Speziell kann die q-Induktivitäts-Kennlinie auch während des Beschleunigens des Motors gemessen werden. Damit brauchen keine zusätzlichen mechanischen Komponenten, wie Motorprüfstand oder Blockiereinrichtung, für eine derartige Messung bereitgehalten zu werden. Diese Art der Motordatenidentifikation erleichtert die Motorinbetriebnahme deutlich.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Bestimmen einer Induktivität einer Wicklung eines elektrischen Motors durch - Einprägen eines Stroms (i) durch die Wicklung mit einem nicht periodischen Stromoffsetanteil und einem periodischen Stromanteil, so dass der Motor beschleunigt,
- Bereitstellen eines Spannungssignals (u) bezüglich der Wicklung und Bestimmen eines Spannungsstöranteils und ei- nes periodischen Spannungsanteils daraus und
- Ermitteln der Induktivität der Wicklung aus dem periodischen Stromanteil oder einem gemessenen, periodischen Stromsignal und dem periodischen Spannungsanteil.
2. Verfahren zum Bestimmen einer Induktivität einer Wicklung eines elektrischen Motors durch
- Anlegen einer Spannung an die Wicklung mit einem nicht periodischen Spannungsoffsetanteil und einem periodischen Spannungsanteil, so dass der Motor beschleunigt, — Bereitstellen eines Stromsignals bezüglich eines Stroms durch die Wicklung und Bestimmen eines Stromstöranteils und eines periodischen Stromanteils daraus und
- Ermitteln der Induktivität der Wicklung aus dem periodischen Stromanteil und dem periodischen Spannungsanteil o- der einem gemessenen, periodischen Spannungssignal.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Stromstöranteil einem Polynom, insbesondere einem Polynom zweiten Grades, genügt.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Spannungsstöranteil einem Polynom, insbesondere einem Polynom zweiten Grades, genügt.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zum Ermitteln der Induktivität Fourierkoeffizienten des periodischen Stromanteils und des periodischen Spannungsanteils berechnet werden.
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