WO2020083985A1 - Method and device for load-free determining of load-dependent positioning parameters of a synchronous machine without a position sensor - Google Patents

Method and device for load-free determining of load-dependent positioning parameters of a synchronous machine without a position sensor Download PDF

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WO2020083985A1
WO2020083985A1 PCT/EP2019/078879 EP2019078879W WO2020083985A1 WO 2020083985 A1 WO2020083985 A1 WO 2020083985A1 EP 2019078879 W EP2019078879 W EP 2019078879W WO 2020083985 A1 WO2020083985 A1 WO 2020083985A1
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Peter Landsmann
Dirk Paulus
Sascha Kühl
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Kostal Drives Technology Gmbh
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    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02PCONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P21/00Arrangements or methods for the control of electric machines by vector control, e.g. by control of field orientation
    • H02P21/04Arrangements or methods for the control of electric machines by vector control, e.g. by control of field orientation specially adapted for very low speeds

Abstract

The invention relates to a method or a device for load-free determining of load-dependent positioning parameters of a synchronous machine without a position sensor, which is controlled via pulsed terminal voltages from which, and in combination with the measured current response, the inductance or admittance is calculated or wherein from the load-free lowest and the load-free highest differential inductance are known, wherein based on the load-free lowest and the load-free highest differential inductance and the short-circuit current, the magnetic saturation behaviour under the load of the absolute inductance and/or the magnetic anisotropy of the synchronous machine is predicted and used in the position-sensor-free control operation for positioning.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur lastfreien Bestimmung lastabhängiger Lagezuordnungs- Method and device for load-free determination of load-dependent position assignment

Parameter einer Synchronmaschine ohne LagegeberParameters of a synchronous machine without position encoder

1 Stand der Technik 1 State of the art

Verfahren, die eine effiziente Regelung einer Synchronmaschine ohne Lagegeber er- möglichen {häufig als„geberlose“ oder„sensorlose“ Regelung bezeichnet) werden in 2 Klassen unterteilt: Processes that enable efficient control of a synchronous machine without position encoder (often referred to as "encoderless" or "sensorless" control) are divided into two classes:

1. Grundwellenverfahren [1] [2] [3] werten die unter Bewegung induzierte Spannung aus, liefern bei mittleren und hohen Drehzahlen sehr gute Signal-Eigen schaften, aber versagen im unteren Drehzahlbereich, insbesondere bei Stillstand. Für den Betrieb unter Last (Sättigung) benötigen Grundwellenverfahren eine Strom-abhängige Parametrierung der Induktivität [4] [5] 1. Basic wave method [1] [2] [3] evaluate the voltage induced under motion, deliver very good signal properties at medium and high speeds, but fail in the lower speed range, especially when stationary. For operation under load (saturation), fundamental wave methods require a current-dependent parameterization of the inductance [4] [5]

2. Anisotropie-basierte Verfahren [6] [7] [8] werten die Lageabhängigkeit der Induk- tivität der Maschine aus, wozu keine Drehzahl notwendig ist, aber weisen meh rere Probleme und Hürden auf, die erklären, warum viele Anwendungen bis heute einen Lagegeber (mit seinen Nachteilen) benötigen. Für den Betrieb unter Last (Sättigung) erfordern Anisotropie-basierte Verfahren eine Strom-abhängige Parametrierung der Anisotropie-Verschiebung [9] [10] [11] [12].  2. Anisotropy-based methods [6] [7] [8] evaluate the positional dependency of the inductance of the machine, which does not require a speed, but have several problems and hurdles that explain why many applications still have one today Position encoder (with its disadvantages) need. For operation under load (saturation), anisotropy-based methods require a current-dependent parameterization of the anisotropy shift [9] [10] [11] [12].

Geberlose Regelung von Synchronmaschinen im gesamten Drehzahlbereich wird durch eine Kombination von Verfahren beider Klassen umgesetzt [8] [13]. Encoderless control of synchronous machines in the entire speed range is implemented by a combination of methods from both classes [8] [13].

Zur Bestimmung des stromabhängigen Verlaufs von Induktivität und Anisotropiever- schiebung können magnetische Simulationsdaten herangezogen werden [14] [15], welche Abweichungen zur Realität aufweisen und den Zugriff auf das Maschinendesign erfordern. Oder es können diese Verläufe an einem Prüfstandsaufbau mit Lastmaschine und Lagegeber gemessen werden [16] [17], was aber in der Praxis zu aufwendig bis unmöglich sein kann, wenn eine unbekannte Synchronmaschine im Feld angeschlos sen werden soll. Magnetic simulation data can be used to determine the current-dependent course of inductance and anisotropy shift [14] [15], which deviate from reality and require access to the machine design. Or these curves can be measured on a test bench with a load machine and position encoder [16] [17], which in practice can be too time-consuming or impossible if an unknown synchronous machine is to be connected in the field.

Für den Anschluss einer unbekannten Synchronmaschine gibt es Ansätze zur initialen Parameter-Identifikation mit Vernachlässigung der Stromabhängigkeit [18] [19], welche im Betrieb unter erhöhter Last ungenau/instabil werden. Andere Ansätze identifizieren zusätzlich mittels kurzzeitiger makroskopischer Anregung [20] [21] [22] die Lastabhängigkeit, was jedoch zwangsläufig mit Drehmomentspitzen einhergeht, die nicht in jeder Anwendung akzeptabel sind und zudem bei nicht blockiertem Rotor die Ergebnisse derFor the connection of an unknown synchronous machine there are approaches for initial parameter identification with neglect of the current dependency [18] [19], which become imprecise / unstable when operating under increased load. Other approaches also use short-term macroscopic excitation [20] [21] [22] to identify the load dependency, which inevitably goes hand in hand with torque peaks that are not acceptable in every application and also the results of the unblocked rotor

Identifikation verfälschen. Falsify identification.

Die Veränderung der Induktivität (bei Stromänderung) kann alternativ über Online-Iden- tifikationsverfahren nachgeführt werden [23] [24] [25] [26], welche jedoch prinzipbedingt einen zeitlichen Verzug aufweisen (Faktor 10-1000 langsamer als die tatsächliche Än- derung) und damit nur im stationären Zustand genau/stabil sind. The change in inductance (in the event of a change in current) can alternatively be tracked using online identification methods [23] [24] [25] [26], which, however, are delayed in principle (factor 10-1000 slower than the actual change) ) and are therefore accurate / stable only when stationary.

Für die Anisotropie-Verschiebung existieren ebenfalls Ansätze zur Identifikation [27]Approaches to identification also exist for the anisotropy shift [27]

[28] im Betrieb, welche jedoch ein korrekt (nichtlinear) parametriertes Grundwellenmodel! erfordern und erst dann gute Ergebnisse liefern, wenn über eine ausreichende Zeitdauer Betriebspunkte in einem bestimmten Drehzahlbereich mit möglichst verschiedenen Drehmomentwerten durchlaufen wurden, was nicht in allen Anwendungen vo- rausgesetzt werden kann. [28] in operation, which, however, is a correctly (non-linear) parameterized fundamental wave model! require and only deliver good results if operating points in a certain speed range with as different torque values as possible have been run through over a sufficient period of time, which cannot be assumed in all applications.

2 Grundlagen 2 basics

Es folgt eine allgemeine Erläuterung, auch betreffend fakultative Ausgestaltungen der Erfindung. Dabei zeigen: The following is a general explanation, also regarding optional embodiments of the invention. Show:

Fig. 1 Rotorquerschnitte mit Oberflächen-montierten (links) und mit vergrabenen Fig. 1 rotor cross-sections with surface-mounted (left) and with buried

(rechts) Permanentmagneten, weichmagnetisches Material schraffiert, Permanentfluss-Rschtung durch Dreieck angezeigt  (right) permanent magnets, soft magnetic material hatched, permanent flux cut indicated by triangle

Fig. 2 Qualitative Darstellung des Strom-Fluss-Zusammenhangs in d-Richtung mit differentiellen Induktivitäten  Fig. 2 Qualitative representation of the current-flow relationship in the d direction with differential inductors

Fig. 3 Qualitative Darstellung des Strom-Fluss-Zusammenhangs in q-Richtung mit differentiellen und absoluten Induktivitäten  Fig. 3 Qualitative representation of the current-flow relationship in the q direction with differential and absolute inductors

Fig. 4 Stromvektorsummation in Rotorkoordinaten und Anisotropieverschiebung bei geometrisch isotropen Maschinen Fig, 5 Qualitativer Verlauf des Anisotropiebetrags über dem Betrag des Sätti- gungsstroms Fig. 4 current vector summation in rotor coordinates and anisotropy shift in geometrically isotropic machines Fig. 5 Qualitative course of the anisotropy amount over the amount of the saturation current

Fig. 6 Stro m vekto rs u m m ation in Statorkoordinaten und resultierende Abhängigkeit des Betrages und des Winkels des Sättigungsstroms von der Rotorlage  Fig. 6 Stro m vekto rs u m m ation in stator coordinates and resulting dependency of the amount and the angle of the saturation current on the rotor position

Fig. 7a-f Aus Messdaten berechnete Verläufe von 3 geometrisch isotropen (SPM) und 3 geometrisch anisotropen (IPM) PM-Synchronmaschinen, jeweils aufgetragen über der normierten Last

Figure imgf000005_0001
jeweils oben: der Verlauf der absoluten Induktivität L
Figure imgf000005_0002
gemessen (durchgängig) und gemäß Sätti gungsannahme (gestrichelt), jeweils vertikal mittig: der Verlauf des resul- tierenden Grundwellen-Winkelfehlers ohne (gepunktet) und
Figure imgf000005_0005
7a-f curves of 3 geometrically isotropic (SPM) and 3 geometrically anisotropic (IPM) PM synchronous machines calculated from measured data, each plotted against the normalized load
Figure imgf000005_0001
in each case above: the course of the absolute inductance L
Figure imgf000005_0002
Measured (continuous) and according to the saturation assumption (dashed), each vertically centered: the course of the resulting fundamental wave angle error without (dotted) and
Figure imgf000005_0005

mit (gestrichelt) Sättigungsannahme, und jeweils unten: der Verlauf des Anisotropie-basierten Schätzfehlers in elektrischen Grad ohne (ge

Figure imgf000005_0006
with (dashed) saturation assumption, and below: the course of the anisotropy-based estimation error in electrical degrees without (ge
Figure imgf000005_0006

punktet) und mit (gestrichelt) Sättigungsannahme. Die vertikale gepunktete Linie markiert jeweils den Nennstrom laut Typenschild.  scores) and with (dashed) saturation assumption. The vertical dotted line marks the nominal current according to the nameplate.

Fig. 8a-c Experimentelle Ergebnisse des geschlossenen geberlosen Regelkreises mit SPM3 jeweils aufgetragen über der Zeit in Sekunden; jeweils oben die geschätzte Rotorlage in [rad], jeweils vertikal mittig der q-Strom in ge-

Figure imgf000005_0008
8a-c Experimental results of the closed sensorless control loop with SPM3 in each case plotted over time in seconds; the estimated rotor position in [rad] at the top, the q-current in vertical
Figure imgf000005_0008

schätzten Rotorkoordinaten und jedweils unten der Anisotropie-ba-

Figure imgf000005_0007
estimated rotor coordinates and each below the anisotropy base
Figure imgf000005_0007

sierte Schätzfehler Fig. 8a zeigt den Betrieb ohne Sätti

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Estimated error Fig. 8a shows the operation without saturation
Figure imgf000005_0004

gungsannahme, Fig. 8b mit Annahme zur Anisotropie- Verschiebung und Fig. 8c mit Annahme zur eindeutigen Rotorlage-Zuordnung (RPA).  supply assumption, Fig. 8b with assumption for the anisotropy shift and Fig. 8c with assumption for the unique rotor position assignment (RPA).

Es wird darauf hingewiesen, dass die Figuren nur beispielhafte Anordnungen von Maschinen bzw. Verläufe physikalischer Größen zeigen, und dass das hier beschriebene Verfahren bzw. dessen Ausführungsformen nicht auf die Darstellungen in den Figuren beschränkt sind. It is pointed out that the figures only show exemplary arrangements of machines or courses of physical quantities, and that the method described here and its embodiments are not limited to the representations in the figures.

Der Begriff "Maschine" wird hier im Sinne einer "elektrischen Maschine” also eines Elektromotors oder eines elektrischen Generators verwendet. The term “machine” is used here in the sense of an “electrical machine”, ie an electric motor or an electrical generator.

Grundwellenverfahren nutzen die allgemeine Spannungsgleichung der Maschine

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woraus sich unter Kenntnis der Parameter Widerstand Rs und absoluter q-Induktivität Lq aus der Zeitverläufe von Strom und Spannung bei mittleren und hohen Drehzahlen die Rotorlage 9r berechnen lässt, z.B mitels folgender Rechenvorschrift
Figure imgf000006_0002
Fundamental wave methods use the general voltage equation of the machine
Figure imgf000005_0003
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Knowing the parameters of resistance R s and absolute q inductance L q, the rotor position 9 r can be calculated from the time profiles of current and voltage at medium and high speeds, for example using the following calculation rule
Figure imgf000006_0002

Dabei sind die sog. absoluten Induktivitäten Ld und Lq als Quotient aus Fiussverkettung (kurz Fluss) und Strom definiert und dadurch gekennzeichnet, dass sie im Subskript nur einen Achsenbezug (z.B. q) tragen The so-called absolute inductances L d and L q are defined as the quotient of flux linkage (flow for short) and current and are characterized in that they have only one axis reference (eg q) in the subscript

Figure imgf000006_0001
Figure imgf000006_0001

Anisotropie-basierte Verfahren nutzen den Hochfrequenz-Zusammenhang Anisotropy-based methods use the high-frequency relationship

Figure imgf000006_0003
woraus sich beispielsweise nach [29], [30] oder [31] ohne Parameterkenntnis der Anisotropiewinke
Figure imgf000006_0009
berechnen lässt. Unter Kenntnis der iastabhängigen Anisotropie- Verschiebung lässt sich im Betrieb dem gemessenen Ansitropiewinkel ein
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which results, for example, according to [29], [30] or [31] without knowledge of the parameters of the anisotropy angle
Figure imgf000006_0009
can be calculated. Knowing the iast-dependent anisotropy shift, the measured ansitropy angle can be used during operation
Figure imgf000006_0008
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Rotorlage-Schätzwert §r zuordnen

Figure imgf000006_0004
Assign rotor position estimate to § r
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Dabei sind die sog. differentiellen Induktivitäte und als Ableitung des The so-called differential inductances and as a derivative of the

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Figure imgf000006_0006
Figure imgf000006_0005
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Flusses nach dem Strom definiert und tragen zwei Achsenbezüge im Subskript River defined by the current and bear two axis references in the subscript

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Figure imgf000007_0001

In der Regel verläuft der Fluss über dem Strom nichtlinear, weshalb die WerteUsually the flow across the stream is non-linear, which is why the values

Figure imgf000007_0004
und stromabhängig sind. Der spezielle Wert einer stromabhängigen Größe bei Nullstrom {sog. Wert im unbestromten Zustand) ist durch den zusätzlichen Variablenindex 0 gekennzeichnet - im Fall der differentiellen Induktivitäten z.B und
Figure imgf000007_0004
and are current dependent. The special value of a current-dependent quantity at zero current {so-called Value in the de-energized state) is characterized by the additional variable index 0 - in the case of differential inductances, for example and

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Figure imgf000007_0005
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Figure imgf000007_0005

Häufig arbeiten Anisotropie-Verfahren jedoch mit Spannungsinjektion und werten dieHowever, anisotropy methods often work with voltage injection and evaluate that

Stromantwort aus, weshalb die inverse differentielle Induktivität relevant ist, die häufig vereinfacht als Admittanz Y bezeichnet wird Current response, which is why the inverse differential inductance is relevant, which is often simply referred to as admittance Y.

Figure imgf000007_0002
Figure imgf000007_0002

Hierin ist der sog. Anisotropiebetrag Y& die halbe Differenz zwischen der richtungsabhängig größten und kleinsten Admittanz Here the so-called anisotropy amount Y & is half the difference between the directionally largest and smallest admittance

Figure imgf000007_0003
und gibt an, wie stark die Richtungsabhängigkeit der HF-Stromantwort ist. Dabei bedeutet Richtungsabhängigkeit (griechisch Anisotropie) immer: Abhängigkeit von der Richtung der Betrachtung des Strom-Spann u ngs-Zusammenhangs (nicht der Rotorlage) über welcher verschiedene differentielle Induktivitätswerte wirksam sind (in d-Richtung wirkt
Figure imgf000008_0008
bzw , in q-Richtung bzw.
Figure imgf000007_0003
and indicates how strong the directional dependence of the RF current response is. Direction dependency (Greek anisotropy) always means: Dependence on the direction of the current-voltage relationship (not the rotor position) over which various differential inductance values are effective (acting in the d-direction
Figure imgf000008_0008
or, in q-direction and

Figure imgf000008_0005
Figure imgf000008_0003
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Figure imgf000008_0003
Figure imgf000008_0004

Im unbestromten Zustand ist die Koppelkomponente näherungsweise Null, wodurch

Figure imgf000008_0009
In the de-energized state, the coupling component is approximately zero, which means that
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sich (18) vereinfacht zu

Figure imgf000008_0002
simplified (18)
Figure imgf000008_0002

Der Anisotropiewinkel ()u ist die Richtung der kleinsten differentiellen Induktivität und folglich der größten Admittanz. Um ±90° (elektrisch) versetzt findet sich die Richtung der größten differentiellen Induktivität und folglich der kleinsten Admittanz. Der Aniso tropiewinkel kann deshalb aus beiden Größen äquivalent beispielsweise wie folgt berechnet werden The anisotropy angle () u is the direction of the smallest differential inductance and consequently the largest admittance. The direction of the largest differential inductance and consequently the smallest admittance is offset by ± 90 ° (electrical). The anisotropy angle can therefore be calculated from both variables, for example as follows

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Figure imgf000008_0006

Weiterhin werden im Rahmen der hier beschriebenen Ausführungsformen hinsichtlich der Rotortopologie von Synchronmaschinen zwei Klassen unterschieden: Furthermore, two classes are distinguished within the scope of the embodiments described here with regard to the rotor topology of synchronous machines:

1.

Figure imgf000008_0001
Synchronmaschinen haben einen Rotorquerschnitt, in dem sich die Menge und Form des weichmagnetischen Materials zwischen den verschiedenen Magnetpfaden der Phasenwickiungen nicht unterscheidet, so- dass ihre magnetische Anisotropie sich ausschließlich dadurch begründet, dass das erregende Element (z.B. Permanentmagnet oder Erregerwicklung) das weichmagnetische Material lokal (d.h. richtungsabhängig) sättigt. Die magneti sche Anisotropie dieser Maschinen im unbestromten Zustand ist meist kleiner, nämlich1.
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Synchronous machines have a rotor cross-section in which the amount and shape of the soft magnetic material do not differ between the different magnetic paths of the phase windings, so that their magnetic anisotropy is based solely on the fact that the exciting element (e.g. permanent magnet or excitation winding) localizes the soft magnetic material ( depending on the direction). The magnetic anisotropy of these machines in the de-energized state is usually smaller, namely

Figure imgf000008_0007
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2.

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Synchronmaschinen zeigen einen Rotorquerschnitt, in dem sich die Menge und/oder Form des weichmagnetischen Materials zwischen den verschiedenen Magnetpfaden der Phasenwicklungen unterscheidet, was eine zusätzliche anisotrope Komponente erzeugt. Die magnetische Anisotropie dieser Maschinen im unbestromten Zustand ist dadurch meist größer, nämlich
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2nd
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Synchronous machines show a rotor cross-section in which the amount and / or shape of the soft magnetic material between distinguishes the different magnetic paths of the phase windings, which creates an additional anisotropic component. As a result, the magnetic anisotropy of these machines in the de-energized state is usually greater, namely
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Fig. 1 zeigt links ein typisches Beispiel für eine geometrisch isotrope Maschine und rechts ein typisches Beispiel für eine geometrisch anisotrope Maschine. Nur die schraffierten Bereiche haben eine hohe magnetische Leitfähigkeit und führen aufgrund der Geometrie des rechten Querschnitts bei diesem zu einer deutlich erhöhten Induktivität in q-Richtung. 1 shows a typical example of a geometrically isotropic machine on the left and a typical example of a geometrically anisotropic machine on the right. Only the hatched areas have a high magnetic conductivity and, due to the geometry of the right cross section, lead to a significantly increased inductance in the q direction.

Unabhängig von der tatsächlichen Geometrie ist eine Zuweisung der meisten Maschi- nen in ihre entsprechende Klasse auf Basis des Klemmverhaltens möglich, wenn die initial Vorgefundene Anisotropie gegen den Schwellwert 20% verglichen wird. Regardless of the actual geometry, most machines can be assigned to their corresponding class on the basis of the clamping behavior if the initially found anisotropy is compared against the threshold value 20%.

3 Sättigungsannahmen 3 saturation assumptions

Im Folgenden wird ein Verfahren zur lastfreien Bestimmung lastabhängiger Lagezuordnungsparameter einer Synchronmaschine ohne Lagegeber vorgestellt. Die Synchronmaschine wird über getaktete Klemmspannungen angesteuert, aus denen in Verbin- dung mit der gemessenen Stromantwort die Induktivität bzw. Admittanz berechnet wird. Alternativ zu dieser Berechnung kann die lastfrei kleinste und die lastfrei größte diffe rentielle Induktivität und auch bekannt sein. Aus der lastfrei kleinsten und

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Figure imgf000009_0002
A method for the load-free determination of load-dependent position assignment parameters of a synchronous machine without a position encoder is presented below. The synchronous machine is controlled via clocked clamping voltages, from which the inductance or admittance is calculated in connection with the measured current response. As an alternative to this calculation, the smallest load-free and the largest load-free differential inductance can also be known. From the smallest and the most
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der lastfrei größten differentiellen Induktivität und und dem Kurzschiuss-

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the largest load-free differential inductor and and the short-circuit
Figure imgf000009_0003
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strom wird das magnetische Sättigungsverhalten unter Last der absoluten Indukti-

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current the magnetic saturation behavior under load of the absolute inductance
Figure imgf000009_0005

vität und der magnetischen Anisotropie der Synchronmaschine vorhergesagt und im Lagegeber-losen Regelungsbetrieb kompensiert und/oder zur Lagezuordnung genutzt. and the magnetic anisotropy of the synchronous machine are predicted and compensated for in position-less control mode and / or used for position assignment.

In manchen Ausführungsformen entspricht eine lastfreie differentielle Induktivität der Ableitung der Flussverkettung nach dem Strom (vgl. (10)-(12>) im Betriebspunkt mit Null Strom. In manchen Ausführungsformen sind die kleinste und die größte differentielle Induktivi- tät der richtungsanhängig kleinste und größte differentielle Induktivitätswert eines Betriebspunktes, wobei die Richtungsabhängigkeit der magnetischen Anisotropie entspricht. In some embodiments, a load-free differential inductance corresponds to the derivative of the flux linkage after the current (cf. (10) - (12>) at the operating point with zero current. In some embodiments, the smallest and the largest differential inductance are the direction-dependent smallest and largest differential inductance values of an operating point, the directional dependency corresponding to the magnetic anisotropy.

Wenn die lastfrei kleinste und die lastfrei größte differentielle Induktivität Ldd0 und Lqq0 nicht bekannt sind, können diese Werte durch elektrische Anregung der Maschinen aus dem Strom-Spannungs-Zusammenhang berechnet werden. Die Anregung können beispielsweise Testpulse, sinusförmige Spannungsverläufe oder ein zeitdiskretes Span- nungs-lnjektionsmuster sein. Zur Berechnung finden sich leicht verschiedene Ansätze, die üblicherweise die Spannungsanregung und die Stromantwort (z.B. Stromamplitude oder Stromdifferenz pro Zeitintervall) ins Verhältnis setzten. Bei Anisotropie-Verfahren mit zeitdiskretem Injektionsmuster [31] [32] zum Beispiel können der Anisotropie- Be trag UD und der isotrope Anteil US interne Rechengrößen sein, aus deren Werten und der isotrope Anteil bei Nullstrom und die Induktivitäten beispiels

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If the smallest load-free and the largest load-free differential inductance L dd0 and L qq0 are not known, these values can be calculated from the current-voltage relationship by electrical excitation of the machines. The excitation can be, for example, test pulses, sinusoidal voltage profiles or a discrete-time voltage injection pattern. There are easily different approaches to the calculation, which usually relate the voltage excitation and the current response (eg current amplitude or current difference per time interval) in relation. For anisotropy methods with a time-discrete injection pattern [31] [32], for example, the anisotropy amount U D and the isotropic component U S can be internal calculation variables, from their values and the isotropic component at zero current and the inductances, for example
Figure imgf000010_0003
Figure imgf000010_0004
Figure imgf000010_0002

weise wie folgt berechnet werden können can be calculated as follows

Figure imgf000010_0001
Figure imgf000010_0001

Aber auch beliebige andere Vorschriften zur Berechnung einer differentiellen Induktivität können verwendet werden, um die Werte

Figure imgf000010_0005
und
Figure imgf000010_0006
als Grundlage für das in diesem Dokument beschriebene Verfahren und/oder für die beschriebenen Ausführungs- formen zur Verfügung zu stellen. But any other rules for calculating a differential inductance can also be used to measure the values
Figure imgf000010_0005
and
Figure imgf000010_0006
to provide as a basis for the method described in this document and / or for the described embodiments.

Auch wenn differentielle Induktivitäten nur für Anisotropie-Verfahren direkt wirksam sind, werden sie in manchen Ausführungsformen ebenfalls zur Parametrierung von Grundwellenverfahren genutzt. Even if differential inductances are only directly effective for anisotropy methods, in some embodiments they are also used to parameterize fundamental wave methods.

Der Kurzschlussstrom ist allgemein ein zur Erregung durch den Permanentmagnet

Figure imgf000010_0007
The short circuit current is generally one for excitation by the permanent magnet
Figure imgf000010_0007

(PM) (oder durch die Erregerwicklung) äquivalenter Strombetrag, der beispielsweise in negativer d-Richtung eingeprägt zur Auslöschung der Flussverkettung

Figure imgf000011_0006
führt, oder (PM) (or through the excitation winding) equivalent amount of current, for example ■ Embossed in negative d direction to extinguish the river chain
Figure imgf000011_0006
leads, or

sich einstellt, wenn die Welle bei Kurzschluss der Klemmen (Null Spannung) schnell (z.B. Nenndrehzahl) angetrieben, oder occurs when the shaft drives quickly (eg nominal speed) in the event of a short circuit in the terminals, or

nach einem zu den vorgenannten Methoden physikalisch äquivalenten Prinzip bestimmt wird, oder Is determined according to a principle that is physically equivalent to the aforementioned methods, or

« der mit einer der nachfolgenden Berechnungsvorschriften im Rahmen der vorgestellten Sättigungsannahme ermittelt wird. « Which is determined using one of the following calculation rules as part of the saturation assumption presented.

Aber auch beliebige andere Vorschriften zur Berechnung eines zur Erregung durch den PM (oder die Erregerwicklung) äquivalenten Strombetrags können verwendet werden, um den Wert des Ku rzschl ussstroms für das in diesem Dokument beschriebene

Figure imgf000011_0005
However, any other rules for calculating an amount of current equivalent to the excitation by the PM (or the field winding) can be used to determine the value of the short-circuit current for that described in this document
Figure imgf000011_0005

Verfahren und/oder für die beschriebenen Ausführungsformen zur Verfügung zu stel len. To provide methods and / or for the described embodiments.

Die grundlegende Idee der Sättigungsannahme und aller ihrer Ausführungsformen ist, dass im unbestromten Zustand die Maschine in d-Richtung durch den PM in einem bestimmten Grad gesättigt und in q-Richtung ungesättigt ist und dass in q-Richtung der gleiche Grad an Sättigung vorliegen wird, wenn in q-Richtung der Kurzschlussstrom ipm eingeprägt wird. Konkret unterliegt manchen A u sf ü h ru n gsf ormen die Annahme, dass die q-Achse (Richtung quer zum PM) das gleiche magnetische Verhalten an- nimmt, wie die d -Achse (Richtung des PM) im unbestromten Zustand, wenn in q-Rich tung der Kurzschlussstrom eingeprägt wird.The basic idea of the saturation assumption and all of its embodiments is that in the de-energized state the machine is saturated to a certain degree in the d-direction by the PM and unsaturated in the q-direction and that the same degree of saturation will be present in the q-direction, if the short-circuit current i pm is impressed in the q direction. Specifically, some designs are subject to the assumption that the q-axis (direction perpendicular to the PM) assumes the same magnetic behavior as the d -axis (direction of the PM) in the de-energized state when in q direction the short-circuit current is impressed.

Figure imgf000011_0003
Figure imgf000011_0003

Fig. 2 zeigt qualitativ einen beispielhaften Strom-Fluss-Zusammenhang in d-Richtung, welcher aufgrund der Sättigung des weichmagnetischen Materials eine gekrümmte Form aufweist. Ohne d-Strom id = 0 gleicht der Fluss dem PM-Fluss h und der

Figure imgf000011_0004
2 shows qualitatively an exemplary current-flow relationship in the d direction, which has a curved shape due to the saturation of the soft magnetic material. Without d-current i d = 0, the flow is the same as the PM flow h and the
Figure imgf000011_0004

Anstieg (angedeutet durch die gestrichelte Tangente mit Anstiegs-Dreieck) gleicht der differentiellen d-lnduktivität im unbestromten Zustand ist der

Figure imgf000011_0002
The rise (indicated by the dashed tangent with the rise triangle) is equal to the differential d inductance in the de-energized state
Figure imgf000011_0002

Fluss ausgelöscht i}>d ~ 0, das Eisen folglich ungesättigt und gemäß Sättigungsan nahme der Anstieg der Flusskurve gleich der differentiellen q-Induktivität im unbestrom- ten ZustanFlow extinguished i}> d ~ 0, the iron consequently unsaturated and, according to the saturation assumption, the rise in the flow curve equals the differential q inductance in the de-energized state

Figure imgf000011_0001
Beim Anschluss einer unbekannten Synchronmaschine kann der PM-Fluss ippm i.d.R. aus den Typenschilddaten berechnet (z.B. 0,471-mal Nennmoment geteilt durch Nennstrom und Polpaarzahl) oder alternativ durch Drehen der Welle (z.B. aus dem Verhältnis von induzierter Spannung zu Drehzahl) bestimmt werden.
Figure imgf000011_0001
When connecting an unknown synchronous machine, the PM flow ip pm can usually be calculated from the nameplate data (e.g. 0.471 times the nominal torque divided by the nominal current and number of pole pairs) or alternatively determined by rotating the shaft (e.g. from the ratio of induced voltage to speed).

Auf Basis dieser Daten

Figure imgf000012_0007
kann nun im Rahmen der Sättigungsannahme der Kurzschlussstrom
Figure imgf000012_0015
m wie folgt berechnet werden. In Fig. 2 ist ersichtlich, dass für d-Ströme zwischen
Figure imgf000012_0008
alle Anstiegswerte zwischenBased on this data
Figure imgf000012_0007
can now within the scope of the saturation assumption the short-circuit current
Figure imgf000012_0015
m can be calculated as follows. In Fig. 2 it can be seen that for d-currents between
Figure imgf000012_0008
all increase values between

Figure imgf000012_0010
Figure imgf000012_0009
Figure imgf000012_0010
Figure imgf000012_0009

Figure imgf000012_0006
o liegen, wobei der genaue Übergang von maschinenabhän
Figure imgf000012_0011
Figure imgf000012_0012
Figure imgf000012_0006
o lie, the exact transition depending on the machine
Figure imgf000012_0011
Figure imgf000012_0012

gig variieren kann. gig can vary.

In manchen Ausführungsformen wird nun der Kurzschlussstrom

Figure imgf000012_0017
p als Quotient aus der Erreger- bzw. PM-Flussverkettung geteilt durch eine Kombination der lastfrei
Figure imgf000012_0016
In some embodiments, the short circuit current is now
Figure imgf000012_0017
p as the quotient from the excitation or PM flow chaining divided by a combination of the load-free
Figure imgf000012_0016

kleinsten und der lastfrei größten differentiellen Induktivität

Figure imgf000012_0019
und
Figure imgf000012_0018
berechnet. Diese Berechnung kann beispielsweise wie folgt erfolgen
Figure imgf000012_0001
wobei mittels und der Einfluss der jeweiligen Induktivität gewichtet werden kann.smallest and the load-free largest differential inductance
Figure imgf000012_0019
and
Figure imgf000012_0018
calculated. This calculation can be carried out as follows, for example
Figure imgf000012_0001
whereby the influence of the respective inductance can be weighted by means of and.

Figure imgf000012_0013
Figure imgf000012_0014
Figure imgf000012_0013
Figure imgf000012_0014

In manchen Ausführungsformen entspricht die Kombination einer Mittelwertbildung, beispielsweise mit den Koeffizienten Dazu wird beispielsweise angenom-

Figure imgf000012_0005
In some embodiments, the combination corresponds to averaging, for example with the coefficients.
Figure imgf000012_0005

men, dass der mittlere Anstieg dem Mittelwert der Randanstiege gleichtthat the mean increase equals the mean of the edge increases

Figure imgf000012_0003
Figure imgf000012_0003

sodass wie folgt berechnet werden kannso that can be calculated as follows

Figure imgf000012_0004
Figure imgf000012_0002
Figure imgf000012_0004
Figure imgf000012_0002

Alternativ kann der Kurzschlussstrom beispielsweise durch einen Kurzschlussver

Figure imgf000012_0020
Alternatively, the short-circuit current can, for example, by a short-circuit ver
Figure imgf000012_0020

such bestimmt werden. Unabhängig von seiner Bestimmung ist der Kurzschlussstrom ipm ein Schlüsselparameter für die nun folgenden Berechnungen von Parametern für Grundwellenverfahren in Abschnitt 3.1 und für Anisotropie-Verfahren in Abschnitt 3.2 und 3.3. Die vorgestellten Berechnungsansätze der Parameter für Anisotropie-Verfahren sind vorzugsweise auf geometrisch isotrope Maschinentypen anwendbar. Deshalb findet in machen Ausführungsformen eine Kompensation und/oder Nutzung zur Lagezuordnung der Anisotropie-Sättigungsberechnungen nur dann statt, wenn die Differenz zwischen der lastfrei größten und der lastfrei kleinsten differentiellen Induktivität weniger als 20% ihrer Summe beträgt. to be determined. Regardless of its determination, the short-circuit current i pm is a key parameter for the following calculations of parameters for fundamental wave methods in section 3.1 and for anisotropy methods in sections 3.2 and 3.3. The presented calculation approaches for the parameters for anisotropy methods are preferably applicable to geometrically isotropic machine types. Therefore, in some embodiments, compensation and / or use for the location assignment of the anisotropy saturation calculations only takes place if the difference between the no-load largest and the no-load differential inductance is less than 20% of their sum.

3.1 Grundwelleninduktivität 3.1 fundamental wave inductance

Ein Parameter von Grundwellenverfahren, der zur Berücksichtigung von Sättigung stromabhängig hinterlegt wird, ist beispielsweise die absolute Induktivität in q-RichtungOne parameter of fundamental wave methods that is stored depending on the current to take account of saturation is, for example, the absolute inductance in the q direction

V ln manchen Ausführungsformen wird die absolute Induktivität Lq als Parameter zur Auswertung der induzierten Spannung so berechnet, dass sie ausgehend von ihrem bei Null Strom geltenden Wert, der lastfrei größten differentiellen Induktivität mit

Figure imgf000013_0002
zunehmendem Strom so absinkt, dass sie bei Erreichen des Kurzschlussstroms ( )
Figure imgf000013_0003
dem Mittelwert der lastfrei kleinsten und größten differentiellen Induktivität ( L i t0 und Iw o) gleicht. V In some embodiments, the absolute inductance Lq is calculated as a parameter for evaluating the induced voltage in such a way that, based on its value valid at zero current, it also has the largest differential-free inductance without load
Figure imgf000013_0002
increasing current so that when the short-circuit current is reached ()
Figure imgf000013_0003
is equal to the mean value of the smallest and largest differential inductance (L i t0 and Iw o).

Fig. 3 zeigt einen beispielhaften Strom-Fluss-Zusammenhang in q-Richtung, der sich für eine geometrisch isotrope Maschine gleich zu dem der d-Richtung ergibt - mit dem Unterschied, dass die Kurven zueinander derart horizontal verschoben sind, dass die q-Kurve punktsymmetrisch durch den Ursprung und die d-Kurve durch -tprn verläuft. 3 shows an exemplary current-flow relationship in the q direction, which for a geometrically isotropic machine is the same as that in the d direction - with the difference that the curves are shifted horizontally relative to one another in such a way that the q curve symmetrically through the origin and the d-curve runs through -tprn.

Gemäß obiger Sättigungsannahme dem die folgenden Ausführungsbeispiele unterlie gen, erreicht wenn wo dann ebenfalls der Anstieg ist.According to the above saturation assumption, the following exemplary embodiments are subject to when reached where the rise is also.

Figure imgf000013_0004
Figure imgf000013_0005
Figure imgf000013_0001
Figure imgf000013_0004
Figure imgf000013_0005
Figure imgf000013_0001

Die absolute Induktivität Lq trägt jedoch einen von Lqq verschiedenen Wert, wie die ge punkteten Linien veranschaulichen. However, the absolute inductance Lq has a value different from Lqq, as the dotted lines illustrate.

Um von den (möglicherweise Injektions-basiert gemessenen) differentiellen Induktivitä- ten und auf den Verlauf der absoluten Induktivität ) zu schlussfolgern,

Figure imgf000013_0007
Figure imgf000013_0008
Figure imgf000013_0006
wird beispielsweise zunächst angenommen, dass der Verlauf der differentiellen Indukti vität Lqqiiq) linear und symmetrisch L istIn order to conclude from the (possibly injection-based measured) differential inductances and on the course of the absolute inductance),
Figure imgf000013_0007
Figure imgf000013_0008
Figure imgf000013_0006
For example, it is initially assumed that the course of the differential inductivity L q qii q ) is linear and symmetrical L.

Figure imgf000014_0001
Figure imgf000014_0002
Figure imgf000014_0001
Figure imgf000014_0002

Gemäß (11 ) ergibt sich beispielsweise per IntegrationAccording to (11), this results, for example, by integration

Figure imgf000014_0003
Figure imgf000014_0003

Figure imgf000014_0004
und gemäß (6) der Verlauf beispielsweise per Division
Figure imgf000014_0004
and according to (6) the course, for example, by division

Figure imgf000014_0006
Figure imgf000014_0005
Figure imgf000014_0006
Figure imgf000014_0005

Figure imgf000014_0007
wobei mL unter Verwendung von (25) ausgedrückt wurde. ergibt
Figure imgf000014_0007
where mL was expressed using (25). results

Figure imgf000014_0008
Figure imgf000014_0009
uncj ist damit konsistent zur Berechnung des Kurzschlussstroms (25).
Figure imgf000014_0008
Figure imgf000014_0009
uncj is therefore consistent with the calculation of the short-circuit current (25).

Figure imgf000014_0010
Figure imgf000014_0012
Figure imgf000014_0010
Figure imgf000014_0012

0 ergibt (29) und entspricht damit dem Fakt, dass für Nullstrom die differenti

Figure imgf000014_0011
0 results in (29) and thus corresponds to the fact that the differenti for zero current
Figure imgf000014_0011

elle und die absolute Induktivität gleich sind.  elle and the absolute inductance are the same.

Beispielsweise mit diesem linearen Gesetz (29) bzw. (30)-(31 ) kann basierend auf den initial mess- und/oder berechenbaren Parametern und die Sättigung des

Figure imgf000014_0013
Figure imgf000014_0014
For example, with this linear law (29) or (30) - (31) based on the initially measurable and / or calculable parameters and the saturation of the
Figure imgf000014_0013
Figure imgf000014_0014

zentralen Grundwellenparameters Lq approximiert werden. Diese Approximation trifft bei geometrisch isotropen Maschinen gut zu. Bei geometrisch anisotropen Maschinen ist diese Approximation zwar mit Fehlern im konservativen Bereich behaftet - d.h. die Sättigung wird zu schwach kompensiert weil das Sätigungsverhalten des weichmagnetischen Materials in q-Richtung nicht aus der d-Richtung abgeleitet werden kann, aber dennoch anwendbar. central fundamental wave parameter L q can be approximated. This approximation applies well to geometrically isotropic machines. In the case of geometrically anisotropic machines, this approximation is subject to errors in the conservative range - that is, the Saturation is compensated too weakly because the actuation behavior of the soft magnetic material in the q direction cannot be derived from the d direction, but can still be used.

Eine Kompensation gemäß dieser Approximation ist besser als keine Kompensation anzuwenden. Daher kann das Gesetz für die Stromabhängigkeit der Grundwellenin- duktivität (29) bzw. (30)~(31) auf alle PM-Maschinen angewendet werden - für geomet risch isotrope, wie auch für geometrisch anisotrope. Compensation according to this approximation is better than no compensation. Therefore, the law for the current dependence of the fundamental inductance (29) or (30) ~ (31) can be applied to all PM machines - for geometrically isotropic as well as for geometrically anisotropic.

3.2 Anisotropieverschiebung 3.2 Anisotropy shift

Die Anisotropie von geometrisch isotropen Maschinen ist hervorgerufen durch lokaleThe anisotropy of geometrically isotropic machines is caused by local ones

Sättigung des weichmagnetischen Materials, welche im unbestromten Zustand in PM- Richtung maximal ist. Dann ist die Anisotropie mit dem Rotor ausgerichtet und läuft bei Drehung näherungsweise mit ihm um. Unter Einprägung eines Drehmoment-bildenden Stroms zeigt sich eine relative Verschiebung zwischen Rotor und Anisotropie, weil der quer zum PM ausgerichtete Strom den Sättigungszustand beeinflusst. Saturation of the soft magnetic material, which is maximum in the non-energized state in the PM direction. Then the anisotropy is aligned with the rotor and rotates approximately with it when rotating. When a torque-generating current is impressed, a relative shift between the rotor and anisotropy is shown, because the current oriented transversely to the PM influences the saturation state.

In manchen Ausführungsformen wird ein Sättigungsstromvektor durch vektorielle Addi- tion des Phasenstromvektors und des Kurzschlussstromvektors berechnet, wobei der Kurzschlussstromvektor den Betrag des Kurzschlussstroms hat und in Richtung des PM ausgerichtet ist. In some embodiments, a saturation current vector is calculated by vectorially adding the phase current vector and the short-circuit current vector, the short-circuit current vector having the magnitude of the short-circuit current and oriented in the direction of the PM.

In der folgenden beispielhaften Beschreibung der Ausführungsform ist der Sättigungs stromvektor durch ft , der Phasenstromvektor durch ft und der Kurzschlussstromvek-

Figure imgf000015_0005
In the following exemplary description of the embodiment, the saturation current vector by ft, the phase current vector by ft and the short-circuit current vector
Figure imgf000015_0005

tor durch repräsentiert - jeweils in Statorkoordinaten ausgedrückt (Superskript s). Die gleichen Vektoren in Rotorkoordinaten dargestellt sind , ft und ftgate represented by - each expressed in stator coordinates (superscript s). The same vectors are represented in rotor coordinates, ft and ft

Figure imgf000015_0002
Figure imgf000015_0003
Figure imgf000015_0002
Figure imgf000015_0003

Figure imgf000015_0007
Figure imgf000015_0007

Der Kurzschlussstrom und der Strom in der Stators ick lung

Figure imgf000015_0008
überlagern sich nun
Figure imgf000015_0006
The short-circuit current and the current in the stator development
Figure imgf000015_0008
overlap now
Figure imgf000015_0006

beispielsweise linear und die Summe ergibt den Sättigungsstromfor example linear and the sum gives the saturation current

Figure imgf000015_0004
Figure imgf000015_0001
Figure imgf000016_0001
dessen Richtung das Sättigungsmaximum vorgibt und damit die Anisotropie ausrichtet.
Figure imgf000015_0004
Figure imgf000015_0001
Figure imgf000016_0001
whose direction specifies the saturation maximum and thus aligns the anisotropy.

Damit ergibt sich die sog. Anisotropieverschiebung 0lir , d.h. die Verschiebung des Anisotropiewinkels relativ zum Rotor (bzw. der Anisotropiewinkel in Rotorkoordinaten), nach der Ausrichtung des Sättigungsstroms in Rotorkoordinaten

Figure imgf000016_0002
This results in the so-called anisotropy shift 0 lir, ie the shift in the anisotropy angle relative to the rotor (or the anisotropy angle in rotor coordinates) after the saturation current has been aligned in rotor coordinates
Figure imgf000016_0002

Figure imgf000016_0003
Figure imgf000016_0003

So wird in machen Ausführungsformen die Anisotropieverschiebung als Parameter

Figure imgf000016_0011
Thus, in some embodiments, the anisotropy shift is used as a parameter
Figure imgf000016_0011

zur Auswertung der magnetischen Anisotropie so berechnet, dass sie mit zunehmendem Phasenstrom so anwächst, dass die damit angenommene Ausrichtung der-Aniso- tropie der Richtung des Sättigungsstromvektors entspricht for evaluating the magnetic anisotropy, it is calculated so that it increases with increasing phase current in such a way that the assumed orientation of the anisotropy corresponds to the direction of the saturation current vector

Fig. 4 zeigt beispielhaft, wie der Kurzschlussstrom und der Statorstrom in Rotor

Figure imgf000016_0009
Figure imgf000016_0008
4 shows an example of how the short-circuit current and the stator current in the rotor
Figure imgf000016_0009
Figure imgf000016_0008

koordinaten vektoriell addiert werden, woraus sich der Sättigungsstrom

Figure imgf000016_0007
ί ergibt, des- sen Ausrichtung in Rotorkoordinaten bei geometrisch isotropen Maschinen der Aniso- tropieverschiebung gleicht.coordinates are added vectorially, resulting in the saturation current
Figure imgf000016_0007
ί results in the alignment in rotor coordinates of geometrically isotropic machines being the same as the anisotropy shift.

Figure imgf000016_0006
Figure imgf000016_0006

Dieser Verschiebungswinkel

Figure imgf000016_0012
wird beispielsweise im Betrieb unter Last vom gemes- senen Anisotropiewinkel
Figure imgf000016_0010
(Ergebnis der Anisotropie-Identifikation, z.B. eines der Verfahren [6] [7] [8] [31]) subtrahiert, um die geschätzte Rotorlage zu erhalten
Figure imgf000016_0004
This shift angle
Figure imgf000016_0012
is, for example, in operation under load from the measured anisotropy angle
Figure imgf000016_0010
(Result of the anisotropy identification, eg one of the methods [6] [7] [8] [31]) subtracted in order to obtain the estimated rotor position
Figure imgf000016_0004

Weil bei geometrisch isotropen Maschinen die sog. Maximum-Torque-per-Ampere (MTPA) Solistrom-T rajektorie nahezu auf der q-Achse liegt werden diese Maschinen im unteren Drehzahlbereich meist ohne d-Sollstromanteil betrieben. Damit lässt sich (35) vereinfachen zu

Figure imgf000016_0005
Figure imgf000017_0001
Because in geometrically isotropic machines the so-called maximum torque-per-ampere (MTPA) solistream trajectory is almost on the q-axis, these machines are usually operated in the lower speed range without a d-nominal current component. This can be simplified (35)
Figure imgf000016_0005
Figure imgf000017_0001

Letztere lineare Approximation (38) verhält sich beispielsweise im BereichThe latter linear approximation (38) behaves for example in the area

Figure imgf000017_0005
Figure imgf000017_0005

tendenziell konservativ (keine Überkompensation) mit Approximationsfehlern bis klei ner 3,7°, wobei sie rechensparsamer ist als (37), insbesondere weil der Faktor tends to be conservative (no overcompensation) with approximation errors up to less than 3.7 °, whereby it is more computationally economical than (37), especially because of the factor

Figure imgf000017_0006
im Betrieb konstant ist.
Figure imgf000017_0006
is constant in operation.

Figure imgf000017_0007
Figure imgf000017_0007

3.3 Parameter für eindeutige Anisotropie-Rotorlage-Zuordnung 3.3 Parameters for clear anisotropy-rotor position assignment

Wird zusätzlich der Anisotropiebetrag in Abhängigkeit vom Sättigungsstrom

Figure imgf000017_0004
In addition, the anisotropy amount depends on the saturation current
Figure imgf000017_0004

t einbezogen, kann aus den eingangs bekannten Werten /,d f0, iqqQ und ipm ebenfalls eine Vorschrift zur eindeutigen Rotorlagezuordnung abgeleitet werden. Including t , a rule for unambiguous rotor position assignment can also be derived from the values known at the beginning /, d f0 , i qqQ and i pm .

In manchen Ausführungsformen wird der Anisotropiebetrag KD als Parameter zur ein deutigen Anisotropie-Rotorlagezuordnung so berechnet, dass er ausgehend von sei nem bei Nullstrom wirksamen Wert über dem Sättigungsstrombetrag progressiv an wächst In some embodiments, the anisotropy amount K D is calculated as a parameter for a clear anisotropy rotor position assignment in such a way that it increases progressively from its value effective at zero current above the saturation current amount

Figure imgf000017_0002
was in Fig. 5 qualitativ dargestellt ist
Figure imgf000017_0002
which is shown qualitatively in FIG. 5

Dabei wird gemäß (40) in manchen Ausführungsformen der bei Nullstrom wirksameAccording to (40), the effective at zero current becomes effective in some embodiments

Wert des Anisotropiebetrags aus den lastfreien differentiellen InduktivitätenValue of the anisotropy amount from the load-free differential inductors

Figure imgf000017_0010
und ermittelt.
Figure imgf000017_0009
Figure imgf000017_0010
and determined.
Figure imgf000017_0009

Figure imgf000017_0008
Figure imgf000017_0008

Ein progressiver Verlauf bedeutet konkret, dass der Anstieg von fA(x) für positive Argu mente x stets positiv ist und mit größer werdendem Argument ansteigt In concrete terms, a progressive course means that the increase in f A (x) for positive arguments x is always positive and increases with increasing arguments

Figure imgf000017_0003
Figure imgf000018_0003
Figure imgf000017_0003
Figure imgf000018_0003

In manchen Ausführungsformen entspricht das progressive Anwachsen des Anisotro- piebetrags einem Anwachsen proportional zur dritten Potenz des Sättigungsstrombetrags Dies wird beispielsweise durch die folgende Formel repräsentiert:

Figure imgf000018_0002
In some embodiments, the progressive increase in the anisotropy amount corresponds to an increase proportional to the third power of the saturation current amount. This is represented, for example, by the following formula:
Figure imgf000018_0002

Aus Anisotropiebetrag und Anisotropieausrichtung lässt sich ein beispielhafter Anisotropievektor konstruieren

Figure imgf000018_0006
in welchem alle Variablen UD und 0 ! vom Sättigungsstromvektor
Figure imgf000018_0001
f abhängen. Im Un- terschied zu (37) kann für die Herleitung der eindeutigen Rotorlagezuordnung nun je- doch nicht angenommen werden, dass der d-Stromanteil Null ist
Figure imgf000018_0004
An anisotropy vector can be constructed from the anisotropy amount and anisotropy orientation
Figure imgf000018_0006
in which all variables U D and 0 ! from the saturation current vector
Figure imgf000018_0001
f depend. In contrast to (37), it cannot be assumed for the derivation of the unique rotor position assignment that the d-current component is zero
Figure imgf000018_0004

und es wird beispielsweise nicht die Anisotropieverschiebung relativ zum Rotorand it does not, for example, the anisotropy shift relative to the rotor

Figure imgf000018_0008
sondern der Anisotropiewinkel in Statorkoordinaten
Figure imgf000018_0012
gebraucht, welcher sich wie folgt abhängig vom Sättigungsstrom in Statorkoordinaten beschreiben lässt
Figure imgf000018_0008
but the anisotropy angle in stator coordinates
Figure imgf000018_0012
used, which can be described as follows depending on the saturation current in stator coordinates

Figure imgf000018_0007
Figure imgf000018_0005
Figure imgf000018_0007
Figure imgf000018_0005

Fig 6 zeigt beispielhaft wie sich in (47) der Kurzschlussstrom i6 shows an example of how the short-circuit current i in (47)

Figure imgf000018_0009
und der Statorstrom in Statorkoordinaten vektoriell addieren und den Sättigungsstrom in Statorkoordina- ten ergeben. Unter Variation des Rotorwinkels 0r bei konstantem Statorstrom
Figure imgf000018_0009
and add the stator current vectorially in stator coordinates and give the saturation current in stator coordinates. Varying the rotor angle 0 r with a constant stator current

Figure imgf000018_0010
(SFC Bedingung) bewegt sich der Kurzschlussstrom auf einer konzentrischen
Figure imgf000018_0010
(SFC condition) the short-circuit current moves on a concentric

Figure imgf000018_0011
Kreisbahn (gepunktete Linie) und der Sättigungsstrom folglich auf einer um tf verscho- benen Kreisbahn (gestrichelte Linie). Auf dieser verschobenen Kreisbahn ändert sich sowohl sein Betrag als auch sein Winkel über der Rotordrehung,
Figure imgf000019_0004
Figure imgf000019_0005
Figure imgf000018_0011
Circular path (dotted line) and the saturation current consequently on a circular path shifted by tf (dashed line). On this shifted circular path, both its amount and its angle change over the rotor rotation,
Figure imgf000019_0004
Figure imgf000019_0005

was (43) und (47) begründet. which justifies (43) and (47).

Mit (

Figure imgf000019_0003
kann der Anisotropievektor yA nun also beispielsweise als Funktion vom Strom in Statorkoordinaten tf und der Rotorlage Qr ausgedrückt wer- den With (
Figure imgf000019_0003
the anisotropy vector y A can now be expressed, for example, as a function of the current in stator coordinates tf and the rotor position Q r

Figure imgf000019_0002
Figure imgf000019_0002

was gemäß [33] die Grundlage zur Berechnung einer eindeutigen Rotorlagezuord nungsvorschrift ist. which, according to [33], is the basis for calculating a clear rotor position assignment rule.

In manchen Ausführungsformen wird also ein Modell-Anisotropievektor

Figure imgf000019_0001
konstruiert, der die Länge des Anisotropiebetrags {YA) hat und im zweifachen Anisotropiewinkel (2qa) ausgerichtet ist, wobei der Anisotropiewinkel (qa) der Summe aus Rotorlage (0r) und Anisotropieverschiebung ( qίIT ) entspricht, sodass der Modell-Anisotropievektor als Funktion von Phasenstromvektor (i*) und Rotorlage (0r) beschrieben ist. Dieser Mo- dell-Anisotropievektor ist dann beispielsweise durch repräsentiert.So in some embodiments, a model anisotropy vector
Figure imgf000019_0001
constructed which has the length of the Anisotropiebetrags {Y A) and is aligned in two-fold anisotropy angle (2q a), wherein the anisotropy angle corresponds to (q a) the sum of rotor position (0 r) and Anisotropieverschiebung (q ίIT) so that the model Anisotropy vector as a function of phase current vector (i *) and rotor position (0 r ) is described. This model anisotropy vector is then represented by, for example.

Figure imgf000019_0007
Figure imgf000019_0007

Im Folgenden werden zwei Ausführungsbeispiele beschrieben, die (49) in eine eindeu- tige Lagezuordnungsvorschrift ( überführen.Two exemplary embodiments are described below, which convert (49) into a unique position assignment rule ().

Figure imgf000019_0006
Figure imgf000019_0006

3.3.1 Lineare Lagezuordnung 3.3.1 Linear position assignment

In manchen Ausführungsformen wird die Lageabhängigkeit des Modell-Anisotropievek tors für verschiedene statorfeste Stromwerte im Sollstrom-Arbeitsp u nkt linearisiert und eine lineare Lagezuordnungsvorschrift verwendet, die einer Projektion des gemesse- nen Anisotropievektors

Figure imgf000020_0001
auf die für den gemessenen Strom geltende Linearisierung entspricht. In some embodiments, the positional dependence of the model anisotropy vector is linearized for various stator-fixed current values in the target current working point uses a linear position assignment rule, which is a projection of the measured anisotropy vector
Figure imgf000020_0001
corresponds to the linearization applicable to the measured current.

Dazu wird die Abhängigkeit der Funktion (49) von der Rotorlage ()r unter der Randbe dingung eines unveränderten Stroms in Statorkoordinaten if = const. (die sog. SFC- Trajektorie) im Sollstrom-Arbeitspunkt linearisiert. For this purpose, the dependency of the function (49) on the rotor position () r under the boundary condition of an unchanged current in stator coordinates if = const. (the so-called SFC trajectory) linearized in the target current operating point.

Wie zuvor erwähnt, liegt bei geometrisch isotropen Maschinen der Sollstrom-Arbeits punkt auf der q-Achse

Figure imgf000020_0002
As previously mentioned, in geometrically isotropic machines, the target current operating point lies on the q axis
Figure imgf000020_0002

Um diesen Arbeitspunkt kann (50) mittels der virtuellen Verschiebung h (kleiner Wert, z.B. 1°) linearisiert werden Around this working point (50) can be linearized using the virtual shift h (small value, e.g. 1 °)

Figure imgf000020_0003
Figure imgf000020_0003

worin mA s der Anstieg und yf0 der Offset der Gerade ist, welche (49) im und nahe um den Arbeitspunkt beschreibt

Figure imgf000020_0004
where m A s is the rise and yf 0 is the offset of the straight line that describes (49) in and near the working point
Figure imgf000020_0004

Aus diesen linearisierten Parametern ml und yj0 kann nun eine beispielhafte lineareAn exemplary linear one can now be made from these linearized parameters ml and yj 0

Lagezuordnungsvorschrift abgeleitet werden

Figure imgf000020_0005
die einer Projektion des gemessenen Anisotropievektors auf die Ge
Figure imgf000020_0006
Location assignment rule can be derived
Figure imgf000020_0005
that of a projection of the measured anisotropy vector onto the Ge
Figure imgf000020_0006

rade mit Übernahme des zugehörigen Winkelwerts entspricht.rade with transfer of the associated angle value.

Figure imgf000020_0007
Weil im Rahmen dieser beispielhaften Sättigungsannahme keine Information über Anisotropie-Harmonische vorliegt, enthalten und yj0 bereits alle verfügbaren Informationen für einen Strom betrag |if |. Hierzu kann eine Auswe rtung in Doppelstromkoordinaten gemäß [33] erfolgen
Figure imgf000020_0007
Because there is no information about anisotropy harmonics within the scope of this exemplary saturation assumption, and yj 0 already contain all available information for a current amount | if |. For this purpose, evaluation in double current coordinates according to [33] can be carried out

Figure imgf000021_0001
Figure imgf000021_0001

Diese lässt sich beispielsweise im Rahmen dieser Sättigungsannahme vereinfacht be rechnen, indem aus (49) für Stromwinkel und ausge-

Figure imgf000021_0006
Figure imgf000021_0004
Figure imgf000021_0005
wertet wird This can be calculated in a simplified manner, for example within the framework of this saturation assumption, by using (49) for the current angle and
Figure imgf000021_0006
Figure imgf000021_0004
Figure imgf000021_0005
is evaluated

Figure imgf000021_0002
Figure imgf000021_0002

Aus (51) und (52) bzw. (58) und (59) kann nun eine beispielhafte lineare Lagezuord- nungsvorschrift abgeleitet werden An exemplary linear position assignment rule can now be derived from (51) and (52) or (58) and (59)

Figure imgf000021_0003
worin (60)-(62) im Voraus berechnet werden können und es genügt, lediglich (63) im
Figure imgf000021_0003
where (60) - (62) can be calculated in advance and it suffices to just (63) in

Betrieb zu abzuarbeiten. Dabei sind die Koeffizienten kx, ky und fc0 hinterlegte Modell- parameter und und das aktuelle Ergebnis der Strommessung und Anisotro-

Figure imgf000021_0007
Figure imgf000021_0008
To process operation. The coefficients k x , k y and fc 0 are stored model parameters and and the current result of the current measurement and anisotropy
Figure imgf000021_0007
Figure imgf000021_0008

pie-ldentifikation im Betrieb. ln manchen Ausführungsformen werden die Lagezuordnungskoeffizienten kx, ky und k0 nur einmal nach der initialen Ermittlung der Induktivitäten Ldd0 , Lqqü und des PM-Pie identification in operation. In some embodiments, the location assignment coefficients k x , k y and k 0 are determined only once after the initial determination of the inductances L dd0 , L qqü and the PM-

Flusswerts i(>pm (bzw. des Kurzschiussstroms ipm) für mehrere q-Stromwerte mittels (58H62), (48) und (25) berechnet und als Tabelle über dem Strom abgelegt. Dann ge- nügt es, im Betrieb die zum aktuellen Stromwert passenden Koeffizienten ) zu

Figure imgf000022_0010
Flow value i (> pm (or the short-circuit current i pm ) for several q-current values is calculated using (58H62), (48) and (25) and stored as a table above the current. Then it is sufficient to operate the current current Current value matching coefficients)
Figure imgf000022_0010

wählen/interpolieren und mittels (63) die Rotorlage zuzuordnen. select / interpolate and assign the rotor position using (63).

3.3.2 Suchansatz 3.3.2 Search approach

In manchen Ausführungsformen wird dem Anisotropiemodell (beispielsweise

Figure imgf000022_0003
bzw
Figure imgf000022_0001
der gemessene Strom und ein variabler Rotorlage-Schätzwert (
Figure imgf000022_0004
geführt, wobei dieser Schätzwert so variiert wird dass das Modell bestmöglich mit dem aktuellen Anisotropiemesswert (beispielsweise
Figure imgf000022_0002
bzw. >D) übereinstimmt. In some embodiments, the anisotropy model (e.g.
Figure imgf000022_0003
respectively
Figure imgf000022_0001
the measured current and a variable rotor position estimate (
Figure imgf000022_0004
This estimate is varied in such a way that the model best matches the current anisotropy measurement (e.g.
Figure imgf000022_0002
or> D ) matches.

Dafür kann zur Lagezuordnung im Betrieb beispielsweise der Punkt der SFC Modell- trajektorie y£ (i|S) gesucht werden, der dem Messwert ή naheliegt und der zugehörige

Figure imgf000022_0009
For this purpose, the point of the SFC model trajectory y £ (i | S ), which is close to the measured value und and the associated one, can be searched for, for example, for the location assignment in operation
Figure imgf000022_0009

Lagewert als Schätzwert verwendet werden. Beispielsweise wird in Anlehnung an (58) das auf (48) basierende Modell nun mit variablem Rotorlagewert $r betrachtet

Figure imgf000022_0007
Figure imgf000022_0006
Position value can be used as an estimate. For example, based on (58), the model based on (48) is now considered with a variable rotor position value $ r
Figure imgf000022_0007
Figure imgf000022_0006

wobei q( und i\} im Betrieb Messwerte sind und er so variiert wird, dass das Modell bestmöglich mit dem aktuellen Messwert y übereinstimmt. In manchen Ausführungs-

Figure imgf000022_0008
where q ( and i \ } are measured values during operation and e r is varied so that the model matches the current measured value y as closely as possible.
Figure imgf000022_0008

formen entspricht das Variieren zur bestmöglichen Übereinstimmung einer Minimierung des Abstandes zwischen Modellwert und Messwert

Figure imgf000022_0005
Shaping corresponds to varying to best match a minimization of the distance between the model value and the measured value
Figure imgf000022_0005

Anschließend kann die gefundene Extremstelle als Schätzwert §r übernommen werden. Zur Minimierung kann beispielsweise ein Gradientenabstiegsverfahren genutzt werden

Figure imgf000023_0002
worin der Vorfaktor fe · beispielsweise abhängig von der Lageabhängigkeit die
Figure imgf000023_0001
The extreme point found can then be adopted as an estimated value § r . For example, a gradient descent method can be used to minimize it
Figure imgf000023_0002
where the prefactor fe · depends on the position dependency
Figure imgf000023_0001

Bandbreite der Nachführung von §r skalieren kann. Bandwidth of the tracking of § r can scale.

4 Experimentelle Ergebnisse 4 Experimental results

Fig. 7a-f verifiziert die Sättigungsannahmen für die Grundwelleninduktivität und die Anisotropie-Verschiebung anhand dreier geometrisch isotroper (SPM) und dreier geometrisch anisotroper (1PM) Synchronmaschinen von 6 verschiedenen Herstellern mit unterschiedlichen Werten für Nennleistung und Anisotropie-Verhältnis (SR). Die verti- kalen gepunkteten Linien, welche Nennlast markieren, setzen den dargestellten Überlastbereich und den Punkt mit Kurzschlussstrom (<q/ipm = 1) in Relation. 7a-f verify the saturation assumptions for the fundamental wave inductance and the anisotropy shift using three geometrically isotropic (SPM) and three geometrically anisotropic (1PM) synchronous machines from 6 different manufacturers with different values for nominal power and anisotropy ratio (SR). The vertical dotted lines, which mark the nominal load, relate the overload range shown and the point with short-circuit current (< q / i pm = 1).

Die durch die Grundwelleninduktivität verursachten Schätzfehler sind bei allen Maschi- nen unter Verwendung der Sättigungsannahme deutlich verringert gegenüber dem Be- trieb mit Vernachlässigung der Sättigung, d.h. mit konstantem Parameter Lq. Für alle SPMs überschreitet jener Schätzfehler in praxisrelevantem Rahmen von vierfacher Überlast eine Fehlerschwelle von 5° elektrisch nicht, während mit konstantem Lq bis zu 20° Fehler entstehen. Bei IPMs sind jene Schätzfehler größer (im dargestellten Lastbe- reich <10° elektrisch) als bei SPMs, aber dennoch deutlich geringer, als bei Betrieb mit konstantem Lq , Deshalb kann eine Verwendung der Sättigungsannahme der Grundwelleninduktivität auch bei geometrisch anisotropen Maschinen sinnvoll sein. The estimation errors caused by the fundamental wave inductance are significantly reduced in all machines using the saturation assumption compared to the operation with neglect of saturation, ie with constant parameter L q . For all SPMs, that estimation error does not exceed an error threshold of 5 ° electrically in a practical four-fold overload, while errors of up to 20 ° occur with constant L q . With IPMs, those estimation errors are larger (<10 ° electrical in the load range shown) than with SPMs, but nevertheless significantly less than when operating with constant L q. Therefore, using the saturation assumption of the fundamental wave inductance can also make sense for geometrically anisotropic machines.

Die durch die Anisotropie-Verschiebung verursachten Schätzfehler sind bei geometrisch isotropen Maschinen unter Verwendung der Sättigungsannahme deutlich verringert gegenüber dem Betrieb ohne Berücksichtigung der Sättigung, d.h. mit direkter Ver wendung des Anisotropiewinkeis als Rotorlagewert. Bei SPMs bleibt jener Schätzfehler mit Sättigungsannahme meist kleiner 7° elektrisch, während mit qίh. = 0 bis zu 60° Fehler entstehen. Jedoch ist mit SPM1 auch ein schwierigerer Fall dargestellt, wo der Schätzfehler auch mit Sättigungsannahme auf bis zu 15° ansteigt. Bei IPMs hingegen sind jene Anisotropie-Schätzfehler nicht nur deutlich größer als bei SPMs, sondern auch häufig betragsmäßig größer, als bei direkter Verwendung des Anisotropiewinkeis als Rotorlagewert. Deshalb ist eine Verwendung der Sättigungsannahme für die Aniso- tropie-Verschiebung bei geometrisch anisotropen Maschinen nicht sinnvoll. The estimation errors caused by the anisotropy shift are significantly reduced in geometrically isotropic machines using the saturation assumption compared to operation without taking saturation into account, ie with direct use of the anisotropy angle as the rotor position value. In SPMs, that estimation error with saturation assumption usually remains less than 7 ° electrical, while with q ίh . = 0 up to 60 ° errors occur. However, SPM1 also represents a more difficult case where the estimation error also increases up to 15 ° with saturation assumption. In contrast, with IPMs those anisotropy estimation errors are not only significantly larger than with SPMs, but also also often larger in amount than when using the anisotropy angle as the rotor position value. It is therefore not sensible to use the saturation assumption for the anisotropy shift in geometrically anisotropic machines.

Fig. 8a-c vergleicht die experimentellen Ergebnisse aus dem geberlosen Betrieb mit der geometrisch isotropen Maschine SPM3 unter Parametrierung ohne Sättigungsan- nahme, mit Anisotropie-Verschiebungs-Annahme und mit Annahme zur eindeutigen Rotorlagezuordnung nach dem Ausführungsbeispiel in Abschnitt 3.3.1. In allen Fällen wurde SPM3 durch eine Lastmaschine langsam angetrieben und ihre Rotorlage aus- schließlich Anisotropie-basiert geschätzt und zur Transformation der Feldorientierten Stromregelung verwendet. Der q-Sollstrom wurde ab t = 0 langsam erhöht, sodass er bei ca. 0.6s Nennstrom und bei ca. 3s den Kurzschlussstrom ipm erreicht ist. Ohne Sättigungsannahme (Fig. 8a) wächst der mittlere (Flarmonische ausgeblendet) Schätzfeh- ier schnell an, überschreitet bereits bei Nennstrom 10° und der Regelkreis wird vor Erreichen des Kurzschlussstroms instabil. Mit der vorgestellten Annahme zur Anisotropie- Verschiebung (Fig. 8b) überschreitet der mittlere Schätzfehler erst bei ca. dreifachem Nennstrom die 10° Schwelle und ist damit auch bei höheren Drehmomenten noch für eine effiziente Stromregelung nutzbar. Aber auch in diesem Fall wird der Regelkreis vor Erreichen des Kurzschlussstroms instabil, weil der Zusammenhang zwischen Anisotro piewinkel und Rotorlage uneindeutig [34] wird. Mit der vorgestellten Annahme zur ein deutigen Rotorlagezuordnung (Fig. 8c) bleibt der mittlere Schätzfehler im gesamten Lastbereich kleiner als 10º und ist damit ohne Drehmomentbeschränkung für eine effi ziente Stromregelung nutzbar. Darüber hinaus wird der Regelkreis auch bei hohen Lasten nicht instabil, weil die in [34] beschriebenen Ursachen für diese Art der Zuordnung nicht gelten. In allen Fällen sind in der geschätzten Rotoriage und besonders im 8a-c compares the experimental results from the encoderless operation with the geometrically isotropic machine SPM3 under parameterization without assumption of saturation, with anisotropy displacement assumption and with assumption for the unique rotor position assignment according to the embodiment in section 3.3.1. In all cases, the SPM3 was driven slowly by a load machine and its rotor position was estimated exclusively based on anisotropy and used to transform the field-oriented current control. The q nominal current was slowly increased from t = 0, so that it is reached at approx.0.6s nominal current and at approx. 3s short-circuit current i pm . Without assumption of saturation (Fig. 8a), the middle (flarmonic masked) estimate increases quickly, exceeds 10 ° at nominal current and the control circuit becomes unstable before the short-circuit current is reached. With the assumption about the anisotropy shift presented (FIG. 8b), the average estimation error only exceeds the 10 ° threshold at approximately three times the nominal current and can therefore still be used for efficient current control even at higher torques. In this case, too, the control circuit becomes unstable before the short-circuit current is reached, because the relationship between the anisotropy angle and the rotor position becomes ambiguous [34]. With the assumption presented for a clear rotor position assignment (FIG. 8c), the mean estimation error remains less than 10 ° in the entire load range and can therefore be used for an efficient current control without torque limitation. In addition, the control loop does not become unstable even at high loads because the causes described in [34] do not apply to this type of assignment. In all cases are in the estimated rotoriage and especially in

Schätzfehler jedoch zwei- und sechs-periodische Oberwellen zu sehen, welche durch eine statorfeste und eine negative vierte Anisotropie-Harmonische [32] hervorgerufen werden, die im vorgestellten Verfahren nicht berücksichtigt werden. Eine zusätzliche Berücksichtigung dieser oder weiterer Harmonischer ist aber auch bei keiner der vorge- ste Ilten Ausführungsformen ausgeschlossen. However, there are two and six periodic harmonics, which are caused by a stator-fixed and a negative fourth anisotropy harmonic [32], which are not considered in the presented method. However, additional consideration of this or further harmonics is also not ruled out in any of the previous embodiments.

Weitere Aspekte betreffen: Other aspects concern:

(i) Eine Vorrichtung zur Steuerung und Regelung einer Drehfeldmaschine, umfassend einen Stator und einen Rotor, mit einem mit einer Einrichtung zur Erfassung einer Anzahl von Phasenströmen und mit einem Controller zur Ansteuerung des PWM-Um- richters, der zur Durchführung des Verfahrens wie oben beschrieben eingerichtet und ausgebildet ist; und einen (i) A device for controlling and regulating a induction machine, comprising a stator and a rotor, with one having a device for detecting a Number of phase currents and with a controller for controlling the PWM converter, which is set up and designed to carry out the method as described above; and one

(ii) Synchronmaschine, umfassend einen Stator und einen Rotor mit oder ohne Permanentmagnete, mit einer Vorrichtung zur Steuerung und/oder Regelung wie in Punkt (i) beschrieben.  (ii) Synchronous machine comprising a stator and a rotor with or without permanent magnets, with a device for control and / or regulation as described in point (i).

5 Zusammenfassung 5 Summary

Die heute etablierte, hocheffiziente Ansteuerung von Elektromaschinen setzt voraus, dass der Rotorwinkel zu jedem Zeitpunkt bekannt ist, d.h. in der Regel gemessen wird. Ohne diese Kenntnis können nur deutlich ineffizientere Ansteuerverfahren eingesetzt werden. Die Messung erfolgt im Betrieb mittels eines Sensors, der an der Rotorwelle angebracht ist - der sogenannte Rotorlagegeber oder kurz Geber. Today's established, highly efficient control of electrical machines requires that the rotor angle is known at all times, i.e. is usually measured. Without this knowledge, only significantly inefficient control methods can be used. The measurement is carried out during operation by means of a sensor attached to the rotor shaft - the so-called rotor position encoder or encoder for short.

Geber bringen eine Reihe von Nachteilen mit sich, wie z.B. erhöhte Systemkosten, verringerte Robustheit, erhöhte Ausfallwahrscheinlichkeit und größerer Bauraumbedarf, die das große industrielle Interesse begründen, das Winkelsignal ohne Verwendung ei- nes Gebers zu gewinnen und für die effiziente Regelung einzusetzen. Donors have a number of disadvantages, such as Increased system costs, reduced robustness, increased probability of failure and larger space requirements, which are the reason for the great industrial interest in obtaining the angle signal without using an encoder and using it for efficient control.

Verfahren, die dies ermöglichen, werden als„geberlose" oder sensorlose“ Regelung bezeichnet und teilen sich in 2 Klassen auf: Methods that make this possible are called "sensorless" or sensorless "control and are divided into two classes:

1. Grundwellenverfahren werten die unter Bewegung induzierte Spannung aus, lie- fern bei mittleren und hohen Drehzahlen sehr gute Signal-Eigenschaften, aber versagen im unteren Drehzahlbereich, insbesondere bei Stillstand. 1. Basic wave methods evaluate the voltage induced under motion, deliver very good signal properties at medium and high speeds, but fail in the lower speed range, especially when stationary.

2. Anisotropie-basierte Verfahren werten die Lageabhängigkeit der Induktivität der Maschine aus, wozu keine Drehzahl notwendig ist, aber weisen mehrere Prob leme und Hürden auf, die erklären, warum viele Anwendungen bis heute einen Lagegeber (mit seinen Nachteilen) benötigen.  2. Anisotropy-based methods evaluate the position dependency of the inductance of the machine, which does not require a speed, but have several problems and hurdles that explain why many applications still require a position encoder (with its disadvantages).

Beide Verfahrensklassen benötigen bestimmte magnetische Parameter der Maschine, um aus Spannung und Strom die Rotorlage berechnen zu können. Durch magnetische Sätigung hängen diese Parameter jedoch Bestromungszustand ab. Die Güte und Sta- bilität der Lageschätzung bei hohen Lasten hängt damit von der Genauigkeit der Kenntnis des Sättigungsverhaltens der Parameter ab. Both process classes require certain magnetic parameters of the machine in order to be able to calculate the rotor position from voltage and current. By magnetic However, these parameters depend on the current status. The quality and stability of the position estimate at high loads thus depends on the accuracy of the knowledge of the saturation behavior of the parameters.

Das Sättigungsverhalten kann für einen Maschinentyp entweder mit mitlerer Genauigkeit aus den Daten der computergestützten Maschinenkonstruktion abgeleitet, oder mit hoher Genauigkeit an einem Prüfstand mit Lagegeber und Lastmaschine experimentell ermittelt werden. Häufig sind aber beide Möglichkeiten nicht gegeben, wenn z.B. eine unbekannte Synchronmaschine an einen Umrichter angeschlossen wird und auf Basis kurzer Initialisierungstests möglichst gute Regelungsergebnisse erreichen soll. Weil diese Tests zudem häufig drehmomentfrei sein sollen, ist eine direkte Messung des Sätigungsverhaltens nicht immer möglich. The saturation behavior for a machine type can either be derived with average accuracy from the data of the computer-aided machine design, or can be determined experimentally with high accuracy on a test bench with position encoder and load machine. Often, however, both options are not available, e.g. if an unknown synchronous machine is connected to a converter and should achieve the best possible control results based on short initialization tests. Because these tests should also often be torque-free, a direct measurement of the actuation behavior is not always possible.

Die hier beschriebenen Ausführungsformen bringt bestimmte physikalische Eigen- schaften einer Synchronmaschine so miteinander in Zusammenhang, dass Regeln abgeleitet werden können, um aus Messwerten, die im drehmomentfreien Zustand ge wonnen wurden, auf das Sättigungsverhalten unter Last bis hin zu mehrfacher Überlast zu schlussfolgern. Dies ermöglicht es nun, auch unbekannte Synchronmaschinen nach einer kurzen, drehmomentfreien Initiaüsierungsmessung ohne Prüfstand (übliche Bedingung im Feld) im gesamten Drehzahl- und Lastbereich bis hin zu mehrfacher Überlast stabil und effizient ohne Lagegeber zu regeln. The embodiments described here relate certain physical properties of a synchronous machine to one another in such a way that rules can be derived in order to draw conclusions from the measurement values obtained in the torque-free state of the saturation behavior under load up to multiple overloads. This now enables even synchronous machines to be controlled stably and efficiently without a position encoder after a short, torque-free initiation measurement without a test bench (usual condition in the field) in the entire speed and load range up to multiple overloads.

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Claims

Patentansprüche Claims
1 . Verfahren zur lastfreien Bestimmung lastabhängiger Lagezuordnungsparameter einer Synchronmaschine ohne Lagegeber, welche über getaktete 1 . Method for the load-free determination of load-dependent position assignment parameters of a synchronous machine without a position encoder, which is via clocked
Klemmspannungen angesteuert wird, aus denen in Verbindung mit der gemessenen Stromantwort die Induktivität bzw. Ad mittanz berechnet wird oder wobei die lastfrei kleinste und die lastfrei größte differentielle Induktivität bekannt sind,  Clamp voltages are controlled, from which the inductance or admittance is calculated in connection with the measured current response, or the smallest load-free and the largest load-free differential inductance are known.
wobei aus der lastfrei kleinsten und der lastfrei größten differentiellen Induktivität und dem Kurzschlussstrom das magnetische Sättigungsverhalten unter Last der absoluten Induktivität und/oder der magnetischen Anisotropie der  whereby from the load-free smallest and the load-free largest differential inductance and the short-circuit current, the magnetic saturation behavior under load of the absolute inductance and / or the magnetic anisotropy of the
Synchronmaschine vorhergesagt und im Lagegeber-losen Regelungsbetrieb zur Lagezuordnung genutzt wird.  Synchronous machine is predicted and is used for position assignment in position-less control mode.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , 2. The method according to claim 1,
wobei das magnetische Sättigungsverhalten unter Last der absoluten Induktivität und/oder der magnetischen Anisotropie der Synchronmaschine vorhergesagt und im Lagegeber-losen Regelungsbetrieb kompensiert wird.  the magnetic saturation behavior is predicted under load of the absolute inductance and / or the magnetic anisotropy of the synchronous machine and is compensated for in control mode without position encoder.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, 3. The method according to any one of the preceding claims,
wobei eine lastfreie differentielle Induktivität der Ableitung der Flussverkettung nach dem Strom im Betriebspunkt mit Null Strom entspricht.  where a load-free differential inductance corresponds to the derivation of the flux linkage after the current at the operating point with zero current.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, 4. The method according to any one of the preceding claims,
wobei die kleinste und die größte differentielle induktivätät der richtungsanhängig kleinste und größte differentielle Induktivitätswert eines Betriebspunktes sind, wobei die Richtungsabhängigkeit der magnetischen Anisotropie entspricht.  the smallest and the largest differential inductance being the directionally smallest and largest differential inductance value of an operating point, the directional dependence corresponding to the magnetic anisotropy.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, 5. The method according to any one of the preceding claims,
wobei der Wert des Kurzschlussstroms dem Betrag des Statorstroms entspricht, der sich bei Nenndrehzahl mit Null Spannung einstellt.  the value of the short-circuit current corresponds to the amount of the stator current which is set at zero voltage at the rated speed.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, 6. The method according to any one of the preceding claims,
wobei der Kurzschlussstrom als Quotient aus der Erreger- bzw. Permanentmagnet-Flussverkettung geteilt durch eine Kombination der lastfrei kleinsten und der lastfrei größten Induktivität berechnet wird. where the short-circuit current as a quotient from the excitation or Permanent magnet flux linkage divided by a combination of the smallest and the largest inductance.
7. Verfah ren nach Anspruch 6, 7. Procedure according to claim 6,
wobei die Kombination einer Mittelwertbildung entspricht.  where the combination corresponds to averaging.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, 8. The method according to any one of the preceding claims,
wobei dem Verfahren die Annahme unterliegt, dass die q-Achse, d.h. Richtung quer zum Permanentmagneten, das gleiche magnetische Verhalten annimmt, wie die d-Achse, d.h. Richtung des Permanentmagneten, im unbestromten Zustand, wenn in q-Richtung der Kurzschlussstrom eingeprägt wird.  the method being based on the assumption that the q-axis, i.e. Direction across the permanent magnet, assumes the same magnetic behavior as the d-axis, i.e. Direction of the permanent magnet, in the de-energized state, if the short-circuit current is impressed in the q direction.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, 9. The method according to any one of the preceding claims,
wobei die absolute Induktivität Lq als Parameter zur Auswertung der induziertenwhere the absolute inductance L q as a parameter for evaluating the induced
Spannung so berechnet wird, dass sie ausgehend von ihrem bei Null Strom geltenden Wert, der iastfrei größten differentiellen Induktivität, mit zunehmendem Strom so absinkt, dass sie bei Erreichen des Kurzschlussstroms dem Mittelwert der lastfrei kleinsten und der lastfrei größten differentiellen Induktivität gleicht. Voltage is calculated in such a way that, based on its value at zero current, the iastfree largest differential inductance, it decreases with increasing current so that when the short-circuit current is reached it equals the mean value of the no-load smallest and the no-load largest differential inductance.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, 10. The method according to any one of claims 1 to 8,
wobei ein Sättigungsstromvektor durch vektorielle Addition eines  where a saturation current vector by vectorial addition of a
Phasenstromvektors und eines Kurzschlussstromvektors berechnet wird wobei der Kurzschlussstromvektor den Betrag des Kurzschlussstroms hat und in Richtung des Permanentmagneten ausgerichtet ist.  Phase current vector and a short-circuit current vector is calculated, the short-circuit current vector having the magnitude of the short-circuit current and being oriented in the direction of the permanent magnet.
1 1. Verfahren nach Anspruch 10, 1 1. The method according to claim 10,
wobei die Anisotropieverschiebung ßar als Parameter zur Auswertung der magnetischen Anisotropie so berechnet wird, dass sie mit zunehmendem the anisotropy shift β ar being calculated as a parameter for evaluating the magnetic anisotropy so that it increases with increasing
Phasenstrom so anwächst, dass die damit angenommene Ausrichtung der Anisotropie der Richtung des Sättigungsstromvektors entspricht.  Phase current increases so that the assumed alignment of the anisotropy corresponds to the direction of the saturation current vector.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 oder 1 1 , 12. The method according to any one of claims 10 or 1 1,
wobei der Anisotropiebetrag YD als Parameter zur eindeutigen Anisotropie- Rotorlagezuordnung so berechnet wird, dass er ausgehend von seinem bei Nullstrom wirksamen Wert YD0 über dem Sättigungsstrombetrag progressiv anwächst. wherein the anisotropy amount Y D is calculated as a parameter for the unique anisotropy rotor position assignment in such a way that it starts from Effective zero current value Y D0 increases progressively above the saturation current amount.
13. Verfahren nach Anspruch 12, 13. The method according to claim 12,
wobei der bei Nullstrom wirksame Wert des Anisotropiebetrags
Figure imgf000033_0001
aus der lastfrei kleinsten und der lastfrei grö ßten differentiellen Induktivität ermittelt wird.
where the value of the anisotropy amount effective at zero current
Figure imgf000033_0001
from the load-free smallest and the load-free largest differential inductance.
14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, 14. The method according to claim 12 or 13,
wobei das progressive Anwachsen einem Anwachsen proportional zur dritten Potenz des Sättigungsstrombetrags entspricht.  the progressive increase corresponding to an increase proportional to the third power of the saturation current.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 1 bis 14, 15. The method according to any one of claims 1 1 to 14,
wobei ein Modell-Anisotropievektor konstruiert wird, der die Länge des  a model anisotropy vector is constructed that measures the length of the
Anisotropiebetrags hat und im zweifachen Anisotropiewinkel ausgerichtet ist, wobei der Anisotropiewinkel der Summe aus Rotorlage und  Has anisotropy amount and is aligned in two anisotropy angles, the anisotropy angle being the sum of the rotor position and
Antsotropieverschiebung entspricht, sodass der Modell-Anisotropievektor als Funktion von Phasenstrom vektor und Rotorlage beschrieben ist.  Antsotropy shift corresponds, so that the model anisotropy vector is described as a function of phase current vector and rotor position.
16. Verfahren nach Anspruch 15, 16. The method according to claim 15,
wobei die Lageabhängigkeit des Modeli-Anisotropievektors für verschiedene statorfeste Stromwerte im Sollstrom-Arbeitspunkt linearisiert wird und eine lineare Lagezuordnungsvorschrift verwendet wird, die einer Projektion des gemessenen Anisotropievektors auf die für den gemessenen Strom geltende Linearisierung entspricht.  the positional dependence of the model anisotropy vector for various stator-fixed current values in the setpoint current operating point is linearized and a linear position assignment rule is used which corresponds to a projection of the measured anisotropy vector onto the linearization applicable to the measured current.
17. Verfahren nach Anspruch 15, 17. The method according to claim 15,
wobei dem Anisotropiemodell der gemessene Strom und ein variabler Rotorlage- Schätzwert zugeführt wird, wobei dieser Schätzwert so variiert wird, dass das Modell bestmöglich mit einem aktuellen Anisotropiemesswert übereinstimmt.  the measured current and a variable rotor position estimated value are fed to the anisotropy model, this estimated value being varied such that the model best matches a current anisotropy measured value.
18. Verfahren nach Anspruch 1 7, 18. The method according to claim 1 7,
wobei das Variieren zur bestmöglichen Übereinstimmung einer Minimierung des Abstandes zwischen Modellwert und Messwert entspricht. where the variation corresponds to a minimization of the distance between the model value and the measured value to best match.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 18, 19. The method according to any one of claims 10 to 18,
wobei eine Kompensation und/oder Nutzung zur Lagezuordnung der Anisotropie- Sättigungsberechnungen nur dann stattfindet wenn die Differenz zwischen der lastfrei größten und der iastfrei kleinsten differentiellen Induktivität weniger als 20% ihrer Summe beträgt.  where compensation and / or use to assign the position of the anisotropy saturation calculations only takes place if the difference between the load-free largest and the iast-free smallest differential inductance is less than 20% of their sum.
20. Vorrichtung zur Steuerung und Regelung einer Drehfeldmaschine, umfassend einen Stator und einen Rotor, mit einem steuerbaren PWM-Umrichter zur Ausgabe von getakteten Klemmspannungen, mit einer Einrichtung zur Erfassung einer Anzahl von Phasenströmen und mit einem Controller zur Ansteuerung des PWM-Umrichters, der zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche eingerichtet und ausgebildet ist. 20. Device for controlling and regulating a induction machine, comprising a stator and a rotor, with a controllable PWM converter for outputting clocked clamping voltages, with a device for detecting a number of phase currents and with a controller for controlling the PWM converter, the is set up and designed to carry out the method according to one of the preceding claims.
21 . Synchronmaschine, umfassend einen Stator und einen Rotor mit oder ohne 21st Synchronous machine comprising a stator and a rotor with or without
Permanentmagnete, mit einer Vorrichtung zur Steuerung und/oder Regelung nach Anspruch 20.  Permanent magnets, with a device for control and / or regulation according to claim 20.
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