WO2021198264A1 - Method for capturing a rotor position of a permanently excited synchronous machine, and permanently excited synchhronous machine having means for capturing the rotor position thereof - Google Patents

Method for capturing a rotor position of a permanently excited synchronous machine, and permanently excited synchhronous machine having means for capturing the rotor position thereof Download PDF

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WO2021198264A1
WO2021198264A1 PCT/EP2021/058310 EP2021058310W WO2021198264A1 WO 2021198264 A1 WO2021198264 A1 WO 2021198264A1 EP 2021058310 W EP2021058310 W EP 2021058310W WO 2021198264 A1 WO2021198264 A1 WO 2021198264A1
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WO
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synchronous machine
ekf
fundamental wave
rotor position
voltages
Prior art date
Application number
PCT/EP2021/058310
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Inventor
Martin Grotjahn
Nils WILCKEN
Daniel Engelke
Thomas Eutebach
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Hochschule Hannover
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    • H02PCONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P6/00Arrangements for controlling synchronous motors or other dynamo-electric motors using electronic commutation dependent on the rotor position; Electronic commutators therefor
    • H02P6/14Electronic commutators
    • H02P6/16Circuit arrangements for detecting position
    • H02P6/18Circuit arrangements for detecting position without separate position detecting elements
    • H02P6/183Circuit arrangements for detecting position without separate position detecting elements using an injected high frequency signal
    • HELECTRICITY
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    • 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
    • H02P21/13Observer control, e.g. using Luenberger observers or Kalman filters
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    • H02P2203/03Determination of the rotor position, e.g. initial rotor position, during standstill or low speed operation
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    • H02P2203/00Indexing scheme relating to controlling arrangements characterised by the means for detecting the position of the rotor
    • H02P2203/05Determination of the rotor position by using two different methods and/or motor models

Definitions

  • the invention relates to a method for detecting a rotor position of a rotor of a permanently excited synchronous machine with the features of the preamble of independent claim 1 and to a permanently excited synchronous machine with the features of the preamble of independent claim 8.
  • the permanently excited synchronous machine PSM
  • SLPSM sensorless permanent magnet synchronous machine
  • SLPSM Sensorless permanent magnet synchronous machines
  • SLPSM Sensorless permanent magnet synchronous machines
  • standstill and very low speeds are difficult to control because known methods for detecting the rotor position are too imprecise or, due to their design, are not well suited for many SLPSMs. This is why the SLPSM often uses a controlled start-up or pole latching method at low speeds.
  • these are energetically unfavorable and result in a significantly poorer energy efficiency when a SLPSM is operated frequently at low speeds, as occurs for example with conveyor belts with changing speeds or fans with varying speeds.
  • the rotor position of an SLPSM can be reconstructed from measured currents that flow through the stator windings of the SLPSM as responses to applied voltages. There the currents through the stator windings have to be measured anyway for the regulation of a SLPSM, no additional sensors are required for this.
  • anisotropy-based methods a difference in inductances in the d- and q-direction of the synchronous machine generates an angle-dependent sequence in the currents that flow through the stator windings in response to the applied voltages.
  • the fundamental wave components of the voltages that are applied to operate the synchronous machine with higher-frequency additional signals, the information content regarding the rotor position in the currents flowing in response to the applied voltages can be increased.
  • the information about the rotor position can be isolated from the currents flowing in response to the applied voltages by means of various systems.
  • angle trackers In the field of position sensorless control, these systems are designed, for example, as so-called angle trackers.
  • a well-known and frequently used angle tracker uses a phase locked loop (PLL).
  • PLL phase locked loop
  • a major disadvantage of the anisotropy-based method is the high dependency on the anisotropy of the inductances and thus on the structural properties of the synchronous machine.
  • the anisotropy depends to a different extent on the saturation state of the synchronous machine, so an anisotropy-based method can be unsuitable at certain operating points of the respective synchronous machine.
  • the additional current components flowing through the stator windings as responses to the higher-frequency additional signals have an effect on the superimposed control of the synchronous machine.
  • Filters are therefore used to isolate the fundamental wave current components from the measured currents, for example band-stop filters or circulating low-pass filters.
  • these filters reduce the signal quality of the fundamental current components and generate an additional phase delay. This affects the regulation of the synchronous machine.
  • Another disadvantage is with the angle trackers, which work, for example, according to the PLL method, because they have a transient response and thus delay the information about the rotor position.
  • Known anisotropy-based methods in which the rotor position is calculated directly and which therefore have no transient behavior on the other hand, have other disadvantages such as insufficient accuracy and very high susceptibility to failure.
  • EMF-based methods use the information about the rotor position, which is contained in the electromotive force (EMF).
  • Non-linear observers such as the Extended Kalman Filter (EKF) are an extension of the position sensorless control of permanent magnet synchronous machines. Non-linear observers can also map a non-linear system behavior in a model-based manner and can thus be used to estimate the rotor position without the need for an additional angle racker.
  • EKF Extended Kalman Filter
  • the non-linear observers also obtain their information about the rotor position from the EMF, which is directly dependent on the speed, in particular proportional to the speed and is therefore zero when the synchronous machine is at a standstill. EMF-based methods can therefore only be used above a certain minimum speed of the synchronous machine.
  • the control proposed for this purpose is optimized for the highly non-linear machine behavior of synchronous reluctance machines.
  • the control includes low-noise current demodulation through a Kalman filter with empirical tuning.
  • a machine parameter-free Kalman filter is proposed.
  • the quantities estimated with the Kalman filter are the HF current ripple and the fundamental wave current component. These variables are estimated based on the excitation voltages for the fundamental wave current component and the HF test current as well as measured values of the currents actually flowing.
  • a control of the speed and the fundamental wave components of the synchronous reluctance machine, which is otherwise independent of the Kalman filter, is based on the estimated currents.
  • the invention is based on the object of providing a method for detecting a rotor position of a rotor of a permanent-magnet synchronous machine and a permanent-magnet synchronous machine which precisely determine the rotor position at different speeds of the permanent-magnet synchronous machine.
  • the method should be robust and suitable for a large number of permanent magnet synchronous machines.
  • the object of the invention is achieved by a method for detecting a rotor position of a permanently excited synchronous machine with the features of independent claim 1 and by a permanently excited synchronous machine with the features of the independent
  • Claim 8 solved.
  • the dependent claims relate to preferred embodiments of the method according to the invention and the permanently excited synchronous machine according to the invention.
  • Claim 15 is directed to a permanent magnet synchronous machine with devices for carrying out the method according to the invention. DESCRIPTION OF THE INVENTION
  • EKF Extended Kalman Filter
  • the EKF contains a model of the synchronous machine which, according to the invention, has a fundamental wave model component and an additional signal model component as parts of its closed mathematical representation in the state space.
  • the fundamental wave components and the additional signals of the applied voltages and the measured currents are used as input signals to the EKF and are continuously entered into the EKF.
  • the EKF is used as the only observer for the rotor position at all speeds of the synchronous machine, i. That is, there is no speed-dependent switchover or other synchronization between two or more different observers for estimating the rotor position of the permanent-magnet synchronous machine.
  • the fundamental wave components of the voltages applied to operate the synchronous machine are superimposed with higher-frequency additional signals at low speeds of the synchronous machine does not expressly exclude that this superimposition also takes place at higher speeds.
  • the additional signals are superimposed at least at the low speeds, in particular in a speed range starting at zero.
  • the voltages applied to the stator windings of the synchronous machine on the one hand and their fundamental wave components or the additional signals on the other hand can be continuously entered into the EKF because their difference provides the missing components, ie the additional signals or the fundamental wave components.
  • the model of the synchronous machine can be a purely electrical model.
  • a mechanical model component can also be provided as part of the closed mathematical representation of the model of the synchronous machine in the state space.
  • the EKF can also be used to estimate the fundamental current components of the currents that flow through the stator windings as responses to the fundamental wave components of the applied voltages and to evaluate them with regard to the rotor position of the synchronous machine.
  • the estimated fundamental current components can then be used together with the estimated rotor position in order to regulate the fundamental current components to desired values. Since the fundamental wave current components of the measured currents are estimated by the EKF and not isolated from the measured currents, for example by bandstop filters or with rotating low-pass filters, neither the signal quality of the fundamental wave current components is reduced nor a phase delay is introduced. This provides an optimal basis for regulating the fundamental wave current components for optimal operation of the synchronous machine.
  • the EKF can also estimate additional current components of the currents that flow through the stator windings as responses to the higher-frequency additional signals of the applied voltages and also evaluate them with regard to the rotor position of the synchronous machine.
  • the EKF can estimate an angular speed of the rotor as a further relevant system state of the synchronous machine in addition to the rotor position, the fundamental wave current components and the additional current components.
  • the EKF can make this estimate directly, i. H. without going through a differentiation of the rotor position.
  • an additional signal specification for the additional signals in the form of a rotating voltage vector can be superimposed on a voltage manipulated variable for the fundamental wave components of the applied voltages.
  • the additional signals in the alpha / beta coordinate system can be a cosine signal in the alpha direction and a sine signal of the same kind Include amplitude in the beta direction and thus result in a voltage vector that circles around the origin.
  • a frequency of the additional signals can be at least twice as great as a rated frequency of the synchronous machine.
  • a voltage regulator for the voltages applied to the stator windings of a synchronous machine is only capable of realizing additional signals of limited frequency.
  • the frequency of the additional signals will not exceed 100 times the rated frequency of the synchronous machine.
  • the rated frequency of a synchronous machine is the frequency of the fundamental wave components of the voltages applied to the stator windings of the synchronous machine, for which the synchronous machine and its voltage regulator are designed.
  • the EKF can also estimate further state variables and system parameters of the synchronous machine.
  • the EKF can estimate a voltage-inducing portion of the flux linkage of permanent magnets on the rotor of the synchronous machine and / or a mechanical disturbance variable in the stator windings.
  • This mechanical disturbance variable can in particular estimate external influences on the rotor, such as those that occur when the synchronous machine is used as a drive for a conveyor belt, for example.
  • a permanently excited synchronous machine with a rotor, with stator windings, with a voltage regulator, which is designed and arranged to apply voltages to the stator windings of the synchronous machine, wherein it superimposes fundamental wave components of the voltages applied at low speeds of the synchronous machine with higher-frequency additional signals for operating the synchronous machine , with measuring devices designed and arranged to measure currents flowing through the stator windings in response to the applied voltages, and with an observer for estimating a rotor position of the rotor on the basis of the voltages applied to the stator windings and the currents flowing through the stator windings the observer is designed as an Extended Kalman Filter (EKF), the EKF containing a model of the synchronous machine with a fundamental wave model component and an additional signal model component.
  • EKF Extended Kalman Filter
  • the observer or the EKF is responsible for continuously receiving the fundamental wave components and the additional signals applied voltages and the measured currents and arranged for outputting the estimated rotor position to the voltage regulator.
  • the EKF is the only observer who outputs the rotor position to the voltage regulator.
  • the EKF therefore also specifies the rotor position for the voltage regulator at the low speeds, and in the permanently excited synchronous machine according to the invention there is no speed-dependent switching or other synchronization between different observers for estimating the rotor position.
  • the superposition of the higher-frequency additional signals at the low speeds of the synchronous machine does not exclude that such a superposition also takes place at higher speeds of the synchronous machine.
  • the fundamental wave components and the additional signals of the applied voltages can be communicated to the EKF in various ways, in particular in the form of specifications for the voltages to be applied, but potentially also differently, e.g. B. in the form of measured values of the applied voltages.
  • the EKF of the permanent magnet synchronous machine is preferably also designed to estimate fundamental wave current components of the currents that flow through the stator windings as responses to the fundamental wave components of the applied voltages and to evaluate them with regard to the rotor position, and is arranged to calculate the estimated fundamental wave current components. to output components together with the estimated rotor position to a regulator of the voltage regulator, which regulates the fundamental current components.
  • the EKF separates the additional current components of the currents that flow through the stator windings as a response to the higher-frequency additional signals of the applied voltages from the measured currents, so that the measured currents are divided into fundamental wave current components and additional current components without any loss of information or phase-shifting filtering.
  • the EKF can furthermore be designed to estimate an angular speed of the rotor, whereby it is then arranged to output the estimated angular speed to the controller, which determines the speed of the synchronous machine by setting suitable basic values - regulates the proportions of the applied voltages, target currents or target torques.
  • An additional signal presetting device of the permanent magnet synchronous machine according to the invention can superimpose an additional signal presetting for the additional signals of a voltage manipulated variable at the output of the controller for the fundamental wave current components.
  • the additional signal specification can have the form of a rotating voltage vector.
  • the regulator is the part of the voltage regulator which applies the voltages to the stator windings and which regulates the fundamental current components.
  • the EKF can furthermore be designed to estimate a portion of the flux linkage of permanent magnets located on the rotor that induces voltage in the stator windings and / or a mechanical disturbance variable.
  • the EKF can be arranged to transmit the results of these estimates to the voltage regulator. In this way, the voltage regulator can also take these state variables and system parameters into account when regulating the fundamental current components. However, this consideration often turns out to be unnecessary in the case of the permanent magnet synchronous machine according to the invention.
  • the equations of state of the EKF can describe the fundamental wave model component of the model of the synchronous machine in the following form:
  • R S is a phase resistance of one of the stator windings
  • L d is a fundamental wave inductance in the d direction
  • L q is a fundamental wave inductance in q-direction
  • L d HF is a differential inductance in the d direction
  • L q HF is a differential inductance in the q direction
  • L dq is a differential coupling inductance
  • ⁇ PM is a permanent magnetic field of the synchronous machine (1)
  • ⁇ ⁇ is a flux linkage in the ⁇ direction
  • ⁇ ⁇ is a flux linkage in the ⁇ direction
  • R ⁇ is a resistance of the additional signal model component in the «direction
  • R ⁇ is a resistance of the additional signal model component in the / ⁇ direction
  • R ⁇ is a coupling resistance of the additional signal model component
  • i ⁇ is a current in the ⁇ direction
  • i ⁇ is a current in the ⁇ direction
  • u ⁇ is a fundamental wave component of the voltages in the direction
  • u ⁇ is a fundamental wave component of the voltages in the / ⁇ direction
  • u ⁇ is a higher-frequency periodic additional signal of the voltages in the direction
  • u ⁇ , HF is a higher-frequency periodic additional signal of the voltages in the / ⁇ direction
  • ⁇ el is an electrical rotor position.
  • M i is an internal torque
  • p is a number of pole pairs of the synchronous machine (1)
  • M Stör is an estimated disturbance torque
  • ⁇ m is the mechanical rotor position (22) (of interest)
  • ⁇ m is a mechanical angular velocity
  • J m is an inertia.
  • a covariance matrix of the system noise for one or more system parameters for example the permanent magnetic field of the synchronous machine, can be varied depending on a current speed of the synchronous machine.
  • a function of the EKF for weighting an estimate of the system parameter x SP as a function of the current speed of the machine can be defined.
  • a main diagonal entry q SP of the covariance matrix of the system noise for the system parameter x SP can be defined as follows: where q min is a minimum value of the main diagonal entry belonging to x SP
  • the covariance matrix of the system noise is q max is a maximum value of the main diagonal entry belonging to x SP
  • ⁇ N1 is a first limiting angular velocity
  • ⁇ N2 is a second limiting angular velocity
  • the main diagonal entry q SP of the covariance matrix of the system noise belonging to the system parameter x SP is set to a minimum value q min up to a first limiting angular speed ⁇ N1 and a maximum value q above a second limiting angular speed ⁇ N2 max .
  • a transition is defined between the two limit angular velocities ⁇ N1 and ⁇ N2. This transition does not apply if the first limiting angular speed is equal to the second limiting angular speed.
  • the second limiting angular speed is approximately two to four times as great as the first limiting angular speed.
  • a current dependency of the fundamental wave inductances L can be approximated by a differentiable function L Appr. This can be done in particular as follows using multidimensional third-order polynomials: where i d is a current in the d direction, i q is a current in the q direction and a 0 to a 11 are approximation parameters.
  • the current dependency of the differential inductances can also be determined by continuously differentiable functions L HF, Appr. and l HF, Appr. can be approximated. This can be implemented using third-order polynomials as follows:
  • FIG. 1 shows schematically a permanent magnet synchronous machine according to the invention.
  • the sensorless permanently excited synchronous machine 1 shown schematically in FIG. 1, comprises an electromechanical structure 2 with a rotor 3 and a stator 4.
  • the rotor 3 which can be on the outside as an alternative to its inner arrangement indicated in FIG. 1, has in FIG permanent magnets, not shown separately, in order to provide permanent magnetic excitation.
  • the stator 4 is provided with stator windings, also not shown separately. Often it is, as in FIG. 1, through three Connection lines 5 to 7 are indicated, around three stator windings that are electrically isolated from one another.
  • An inverter 8 applies voltages to the stator windings via the connecting lines 5 to 7. In response to these voltages, currents flow through the stator windings and via their connection lines 5 to 7.
  • the measured currents 19 to 21 are continuously transmitted to an extended Kalman filter 12, which comprises a model 13 of the permanently excited synchronous machine 1 described by equations of state.
  • a voltage manipulated variable 14 which is specified by a controller 15, and an additional signal specification 16 are continuously transmitted to the EKF 12.
  • the additional signal default 16 is predetermined by an additional signal default generator 17 and superimposed on the voltage manipulated variable 14 at the output of the controller 15.
  • the voltage manipulated variable 14 specifies fundamental wave components of the voltages that are applied to the stator windings of the stator 4 by the inverters 8 connected on the input side to a DC voltage intermediate circuit 18 via the connecting lines 5 to 7.
  • the inverter 8 and the DC voltage intermediate circuit 18 are typically parts of a frequency converter, which is not shown further here.
  • the controller 15, the inverter 8 and the additional signal pre-generator 17 together form a voltage regulator 28 for the voltages applied to the stator windings of the stator 4 of the synchronous machine 1.
  • Due to the additional signal specification 16, the inverter 8 superimposes higher-frequency additional signals on the fundamental wave components at least at low speeds of the synchronous machine 1.
  • the currents 19 to 21 measured with the measuring devices 9 to 11 are the responses both to the fundamental wave components and to the additional signals of the voltages applied to the stator windings of the stator 4.
  • the EKF 12 estimates a rotor position 22 of the rotor 3, fundamental current components 23 of the measured currents 19 to 21, as the relevant state variables of the synchronous machine 1, as responses to the fundamental wave components of the applied voltages flow through the stator windings, an angular velocity 24 of the rotor 3 and additional current components 25 of the measured currents 19 to 21, which flow through the stator windings as responses to the higher-frequency additional signals of the applied voltages.
  • the EKF 12 can estimate further state variables and system parameters 26, such as a portion of the flux linkage of the permanent magnets located on the rotor 3 that induces voltage in the stator windings and / or a mechanical disturbance variable that indicates external influences on the rotor 3, and also these state variables and Send system parameter 26 to controller 15.
  • state variables and system parameters 26 such as a portion of the flux linkage of the permanent magnets located on the rotor 3 that induces voltage in the stator windings and / or a mechanical disturbance variable that indicates external influences on the rotor 3, and also these state variables and Send system parameter 26 to controller 15.
  • the controller 15 specifies the voltage manipulated variable 14 for system parameters 24 and 26 in order to regulate the fundamental wave current components 23 which are optimally suited to achieve a desired angular speed 24 of the rotor 3 and thus a specific speed of the synchronous machine 1.
  • the controller 15 can have separate parts for the d and q components of the fundamental current components 23.
  • the EKF 12 used for estimating the rotor position 22 is based on the model 13 of the synchronous machine 1, which, in addition to electrical model components, can have a mechanical model component describing the electromechanical structure 2. Furthermore, the EKF 12 can include electrical and / or mechanical model components to take into account the specific application of the synchronous machine 1, for example as a drive for a conveyor belt.
  • the EKF 12 is a non-linear observer that can, in principle, estimate the rotor position 22 on the basis of a model without the influence of anisotropy of the inductances of the synchronous machine. However, the information content for the estimation of the rotor position 22 is dependent on the angular speed 24 of the rotor.
  • the basic wave components of the voltages applied to the stator windings specified by the voltage manipulated variable 14 are superimposed on the additional signals specified by the additional signal specification 16, which, if anisotropy is present, provide additional information about the rotor position 22 in the currents 19 to 19 flowing and measured as a response to the applied voltages 21 evoke.
  • This information about the rotor position 22 is also evaluated by the EKF 12. This results in an observer for the rotor position 22, which has a high level of accuracy over the entire speed range of the synchronous machine 1 and reduces the dependence on a clear anisotropy of the inductances of the synchronous machine 1.
  • the EKF 12 can be used to separate the fundamental current components 23 from the additional current components 25 of the measured currents 19 to 21. No filtering of the measured currents, which is usually used, is thus required in order to provide the fundamental wave current components 23 of the measured currents 19 to 21 required by the controller 15. In addition, there is no signal deterioration and no filter-related phase delay in the fundamental wave current components 23 estimated by the EKF 12. Since the EKF 12 also estimates the rotor position 22 at the low speeds and is therefore used as the only observer for the rotor position 22 in the synchronous machine 1, no speed-dependent switching or other synchronization between different observers is necessary, which has a negative influence on such a switching the function of the controller 15 is omitted.
  • the additional signals are characterized by their amplitude U c and frequency ⁇ c , which are directly impressed, with the frequency is constant, while the amplitude U c can be specified as a function of the speed, precisely known:
  • the total voltage specification 27, which is transferred to the inverter 8, is an additive superposition of both components:
  • Calculated output variables of the EKF 12, which are compared with measured variables, are total currents, which are made up of fundamental wave current components and higher-frequency additional current components:
  • the fundamental wave current components and the higher-frequency additional current components result from the calculation of several model components (see below) and a correction from an observer feedback multiplied by a difference between the measured currents 19 to 21 and the calculated output values of the EKF 12 in, i.e. the total currents i ⁇ , ⁇ .
  • the state vector of the EKF 12 contains the additional current components from an additional signal model component of the model 13 for higher-frequency excitation by the additional signals as well as the fundamental current components from a fundamental wave model component of the model 13 for the excitation by the fundamental wave components of the voltages applied to the stator windings.
  • the state vector contains the electrical angular velocity and the rotor position, ie the electrical or mechanical rotor position angle, which can be converted into one another using the number of pool pairs of the synchronous machine.
  • other system parameters and disturbance variables such as B. the permanent magnetic field as a system parameter and a disturbance torque as a mechanical disturbance variable can be estimated. Then the following applies for the state vector:
  • the model 13 of the EKF can essentially have three model components: the electrical fundamental wave model component for the excitation of the synchronous machine through the fundamental wave components of the applied voltages, the electrical additional signal model component for the higher-frequency periodic excitation of the synchronous machine through the additional signals and the fundamentally optional mechanical model component to take into account the electromechanical Structure 2 of the synchronous machine including torque calculation.
  • the output variables i.e. the estimated total currents i ⁇ , here in the alpha / beta coordinate system, are determined from the state variables of the model components.
  • Electrical model of the synchronous machine when excited by the fundamental wave components (fundamental wave model component)
  • the voltage manipulated variable 14 at the output of the controller 15 is in a typical frequency range from 0 to 400 Hz.
  • the voltage manipulated variable 14 in dq coordinates can be transformed into the alpha / beta coordinate system with the help of the estimated electrical rotor position angle ⁇ el and is used as an input variable for the fundamental wave model component of the model 13 of the synchronous machine 1 is used, as is known in principle to the person skilled in the art.
  • the output quantities of the fundamental wave model component are the estimated fundamental wave current components.
  • the angle information which is evaluated in this case, can be found in the term of the electromotive force (EMF). Since this term is linearly dependent on the angular speed, this information can only be used from a certain angular speed, which is typically 0.5 to 1% of the rated speed of the synchronous machine 1.
  • the additional signals in the form of a higher-frequency alternating voltage with a typical frequency of the order of magnitude of 1,000 Hz or greater are superimposed on the fundamental wave components of the applied voltages.
  • the additional signal model component includes special parameters for the higher-frequency additional signals such as the differential main and mutual inductances as well as a fully occupied resistor matrix. It is generally known that the resulting higher-frequency additional current components can be displayed as current vectors in the alpha / beta coordinate system as follows:
  • phase of the higher-frequency periodic additional current components which is dependent on the rotor position, is due to an angular dependence of the inductances and requires a difference in the inductances in the d and q directions, i.e. anisotropy.
  • the input of the mechanical model component is an equation for calculating the internal torque of the synchronous machine from the currents of the electrical model components.
  • the higher-frequency additional current components often have a negligible influence on the torque.
  • a torque disturbance variable can be estimated, which compensates for mechanical parameter errors, but primarily takes into account friction losses as well as load torques and disturbance torques.
  • the angle estimation can be improved by means of this disturbance variable estimation.
  • the angular acceleration is derived from the torque and, as a result, the angular velocity and the rotor position angle are determined by integration.
  • the current components of the fundamental wave model component and the additional signal model component are required.
  • the additional current components from the additional signal model component are additively superimposed with the fundamental current components from the fundamental wave model component.
  • the state variables are corrected by means of the difference between estimated and measured currents multiplied by an observer feedback matrix.
  • the rotor position angle which is initially predicted with the aid of the mechanical model component, can be highly error-prone, depending on the quality of the model. Since the rotor position is contained both in the fundamental wave model component and in the additional signal model component and thus influences the predicted currents that flow in response to the applied voltages, optimizing the state variables with regard to a minimal difference between measured and estimated currents enables a Correction of the estimated rotor position can be made.
  • the fundamental wave model component supplies reliable angle information from the EMF, which, however, is linearly dependent on the angular velocity and is therefore unusable at low speed and when the system is stationary.
  • the additional excitation of the synchronous machine with the higher-frequency periodic additional signals ensures that the additional signal model component enables the rotor position to be corrected using anisotropy-based rotor position information. Since the rotor position is corrected using both model components, it is possible to estimate the rotor position in the entire speed range without switching or fading between two different estimation methods. In particular, an additional estimate of the permanent magnetic field of the synchronous machine can be useful, since above all the accuracy when estimating the angular velocity is sensitive to this system parameter. If there is a parameter error, there is an offset in the estimation of the angular velocity. When the synchronous machine is at a standstill, the system parameter of the permanent magnetic field is insufficient or not stimulated at all.
  • the corresponding parameter estimate can therefore drift away.
  • the estimate of the angular velocity can be influenced by this effect, and the velocity estimate can be offset.
  • the weighting of the estimation of the permanent magnetic field within the covariance matrix of the system noise can be defined as a function of the speed. When the machine is at a standstill, the corresponding weighting is zero, so that the system parameter is kept constant. With increasing speed, the covariance of the permanent magnetic field parameter is also increased up to a final value, so that this permanent magnetic field estimate is corrected again by the EKF.

Abstract

In order to capture a rotor position of a rotor (2) of a permanently excited synchronous machine (1), voltages (27) are applied to stator windings of the synchronous machine (1), wherein higher-frequency additional signals (16) are superimposed on fundamental components (14) of the voltages (27), which are applied for the purpose of operating the synchronous machine (1), at least at low speeds of the synchronous machine (1). As responses to the applied voltages, currents (19-21) flowing through the stator windings are measured. An observer for estimating the rotor position (22) of the permanently excited synchronous machine (1) on the basis of the voltages applied to the stator windings and the currents flowing through the stator windings is defined as an extended Kalman filter (EKF) (12) which comprises a model (13) of the synchronous machine (1). The model (13) of the synchronous machine (1) has a fundamental model component and an additional signal model component. The fundamental components (14) and the additional signals (16) of the applied voltages (27) and the measured currents (19-21) are continuously input to the EKF (12). The EKF (12) is used as the sole observer for the rotor position (22) at all speeds of the synchronous machine (1), with the result that two or more different observers for estimating the rotor position (22) of the permanently excited synchronous machine (1) do not need to be synchronized on the basis of the speed.

Description

VERFAHREN ZUM ERFASSEN EINER ROTORLAGE EINER PERMANENTERREGTEN SYNCHRONMASCHINE UND PERMANENTERREGTE SYNCHRONMASCHINE MIT MITTELN METHOD OF DETECTING A ROTOR POSITION OF A PERMANENTLY EXCITED SYNCHRONOUS MACHINE AND PERMANENTLY EXCITED SYNCHRONOUS MACHINE WITH MEANS
ZUM ERFASSEN IHRER ROTORLAGE TO DETERMINE YOUR ROTOR POSITION
TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Erfassen einer Rotorlage eines Rotors einer permanenterregten Synchronmaschine mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 1 sowie auf eine permanenterregte Synchronmaschine mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 8. Insbesondere handelt es sich bei der permanenterregten Synchronmaschine (PSM) um eine sensorlose permanenterregte Synchronmaschine (SLPSM). The invention relates to a method for detecting a rotor position of a rotor of a permanently excited synchronous machine with the features of the preamble of independent claim 1 and to a permanently excited synchronous machine with the features of the preamble of independent claim 8. In particular, the permanently excited synchronous machine (PSM ) to a sensorless permanent magnet synchronous machine (SLPSM).
STAND DER TECHNIK STATE OF THE ART
Sensorlose permanenterregte Synchronmaschinen (SLPSM) stellen eine Alternative zu Asynchronmaschinen dar, die hohe Energieeffizienz und geringe Kosten mit einander verbindet. Bei SLPSM sind jedoch der Stillstand und sehr kleine Drehzahlen schwierig zu beherrschen, weil bekannte Verfahren zu Erfassen der Rotorlage zu ungenau werden oder konstruktionsbedingt für viele SLPSM nicht gut geeignet sind. Deshalb wird bei niedrigen Drehzahlen von SLPSM häufig auf einen gesteuerten Anlauf oder auf Polrastverfahren zurückgegriffen. Diese sind jedoch energetisch ungünstig und resultieren bei einem häufigen Betrieb einer SLPSM bei kleinen Drehzahlen, wie er zürn Beispiel bei Transportbändern mit wechselnden Geschwindigkeiten oder Lüftern mit variierenden Drehzahlen auftritt, in einer deutlich schlechteren Energieeffizienz. Sensorless permanent magnet synchronous machines (SLPSM) represent an alternative to asynchronous machines that combine high energy efficiency and low costs. With SLPSM, however, standstill and very low speeds are difficult to control because known methods for detecting the rotor position are too imprecise or, due to their design, are not well suited for many SLPSMs. This is why the SLPSM often uses a controlled start-up or pole latching method at low speeds. However, these are energetically unfavorable and result in a significantly poorer energy efficiency when a SLPSM is operated frequently at low speeds, as occurs for example with conveyor belts with changing speeds or fans with varying speeds.
Grundsätzlich kann die Rotorlage einer SLPSM aus gemessenen Strömen rekonstruiert werden, die als Antworten auf angelegte Spannungen durch die Statorwicklungen der SLPSM fließen. Da die Ströme durch die Statorwicklungen für die Regelung einer SLPSM ohnehin gemessen werden müssen, ist dafür keine zusätzliche Sensorik erforderlich. In principle, the rotor position of an SLPSM can be reconstructed from measured currents that flow through the stator windings of the SLPSM as responses to applied voltages. There the currents through the stator windings have to be measured anyway for the regulation of a SLPSM, no additional sensors are required for this.
Viele bekannte Verfahren zur sensorlosen Regelung permanenterregter Synchronmaschinen lassen sich in Anisotropie- und EMK-basierte Verfahren aufteilen. Bei Anisotropie-basierten Verfahren wird durch einen Unterschied der Induktivitäten in d- und q-Richtung der Synchronmaschine eine winkelabhängige Sequenz in den Strömen erzeugt, die als Antworten auf die angelegten Spannungen durch die Statorwicklungen fließen. Durch die Überlagerung von Grundwellenanteilen der Spannungen, die zum Betreiben der Synchronmaschine angelegt werden, mit höherfrequenten Zusatzsignalen kann der Informationsgehalt bezüglich der Rotorlage in den als Antworten auf die angelegten Spannungen fließenden Ströme vergrößert werden. Die Information über die Rotorlage kann mittels verschiedener Systeme aus den als Antworten auf die angelegten Spannungen fließenden Ströme isoliert werden. Dieses Systeme werden im Bereich der positionssensorlosen Regelung zum Beispiel als sog. Winkel-Tracker ausgeführt. Ein bekannterund häufig eingesetzter Winkel-Tracker wendet eine phase locked loop (PLL) an. Ein großer Nachteil der Anisotropie-basierten Verfahren ist die hohe Abhängigkeit von der Anisotropie der Induktivitäten und damit von den konstruktiven Eigenschaften der Synchronmaschine. Zusätzlich ist die Anisotropie je nach Synchronmaschine unterschiedlich stark vom Sättigungszustand der Synchronmaschine abhängig, somit kann ein Anisotropie- basiertes Verfahren in gewissen Arbeitspunkten der jeweiligen Synchronmaschine untauglich werden. Zudem haben die als Antworten auf die höherfrequenten Zusatzsignale durch die Stator- wicklungen fließenden Zusatzstromanteile eine Rückwirkung auf die überlagerte Regelung der Synchronmaschine. Daher werden Filter eingesetzt, um die Grundwellenstromanteile aus den gemessenen Strömen zu isolieren, beispielsweise Bandsperren oder mitumlaufende Tiefpassfilter. Diese Filter reduzieren allerdings die Signalqualität der Grundwellenstromanteile und erzeugen einen zusätzlichen Phasenverzug. Hierdurch wird die Regelung der Synchronmaschine beeinträchtigt. Ein weiterer Nachteil liegt bei den Winkel-Trackern, die beispielsweise nach dem PLL-Verfahren arbeiten, weil diese ein Einschwingverhalten aufweisen und damit die Information über die Rotorlage verzögern. Bekannte Anisotropie-basierte Verfahren, bei denen die Rotorlage direkt berechnet wird und die somit kein Einschwingverhalten aufweisen, weisen hingegen andere Nachteile wie eine ungenügende Genauigkeit und sehr hohe Störanfälligkeit auf. EMK-basierte Verfahren nutzen die Informationen über die Rotorlage, welche in der elektromotorischen Kraft (EMK) enthalten ist. Durch lineare Beobachter ist es möglich, die EMK zu schätzen und mittels eines Winkel-Trackers die Rotorlage zu bestimmen. Diese Beobachter schätzen modellbasiert die durch die Statorwicklungen der Synchronmaschine fließenden Ströme, die dann mit den gemessenen Strömen verglichen werden. Hierdurch ergibt sich der Beobachterfehler, welcher zur Adaption des Modells genutzt wird. Eine Erweiterung im Bereich der positionssensorlosen Regelung von permanenterregten Synchronmaschinen bilden nichtlineare Beobachter wie das Extended Kalman Filter (EKF). Nichtlineare Beobachter können auch ein nichtlineares Systemverhalten modellbasiert abbilden und können so zur Schätzung der Rotorlage eingesetzt werden, ohne dass ein zusätzlicher Winkel-T racker notwendig ist. Abhängig von der Güte des zugrundeliegenden Modells ist es im Vergleich zu herkömmlichen Winkel- Trackern möglich, den Phasenverzug der geschätzten Rotorlage deutlich zu reduzieren. Allerdings beziehen auch die nichtlinearen Beobachter ihre Information über die Rotorlage aus der EMK, welche direkt von der Drehzahl abhängig, insbesondere zur Drehzahl proportional und daher im Stillstand der Synchronmaschine null ist. EMK-basierte Verfahren lassen sich daher nur oberhalb einer bestimmten Mindestdrehzahl der Synchronmaschine einsetzen. Many known methods for sensorless control of permanent magnet synchronous machines can be divided into anisotropy and EMF-based methods. In anisotropy-based methods, a difference in inductances in the d- and q-direction of the synchronous machine generates an angle-dependent sequence in the currents that flow through the stator windings in response to the applied voltages. By superimposing the fundamental wave components of the voltages that are applied to operate the synchronous machine with higher-frequency additional signals, the information content regarding the rotor position in the currents flowing in response to the applied voltages can be increased. The information about the rotor position can be isolated from the currents flowing in response to the applied voltages by means of various systems. In the field of position sensorless control, these systems are designed, for example, as so-called angle trackers. A well-known and frequently used angle tracker uses a phase locked loop (PLL). A major disadvantage of the anisotropy-based method is the high dependency on the anisotropy of the inductances and thus on the structural properties of the synchronous machine. In addition, depending on the synchronous machine, the anisotropy depends to a different extent on the saturation state of the synchronous machine, so an anisotropy-based method can be unsuitable at certain operating points of the respective synchronous machine. In addition, the additional current components flowing through the stator windings as responses to the higher-frequency additional signals have an effect on the superimposed control of the synchronous machine. Filters are therefore used to isolate the fundamental wave current components from the measured currents, for example band-stop filters or circulating low-pass filters. However, these filters reduce the signal quality of the fundamental current components and generate an additional phase delay. This affects the regulation of the synchronous machine. Another disadvantage is with the angle trackers, which work, for example, according to the PLL method, because they have a transient response and thus delay the information about the rotor position. Known anisotropy-based methods in which the rotor position is calculated directly and which therefore have no transient behavior, on the other hand, have other disadvantages such as insufficient accuracy and very high susceptibility to failure. EMF-based methods use the information about the rotor position, which is contained in the electromotive force (EMF). Using linear observers, it is possible to estimate the EMF and to determine the rotor position using an angle tracker. Based on a model, these observers estimate the currents flowing through the stator windings of the synchronous machine, which are then compared with the measured currents. This results in the observer error, which is used to adapt the model. Non-linear observers such as the Extended Kalman Filter (EKF) are an extension of the position sensorless control of permanent magnet synchronous machines. Non-linear observers can also map a non-linear system behavior in a model-based manner and can thus be used to estimate the rotor position without the need for an additional angle racker. Depending on the quality of the underlying model, it is possible to significantly reduce the phase delay of the estimated rotor position compared to conventional angle trackers. However, the non-linear observers also obtain their information about the rotor position from the EMF, which is directly dependent on the speed, in particular proportional to the speed and is therefore zero when the synchronous machine is at a standstill. EMF-based methods can therefore only be used above a certain minimum speed of the synchronous machine.
Wegen der spezifischen Vor- und Nachteile von Anisotropie- und EMK-basierten Verfahren ist es nicht unüblich, zwei Beobachter für die Rotorlage zu kombinieren, um die jeweiligen Vorteile zu nutzten und die Nachteile zu kompensieren. Bei einer solchen Kombination wird dann drehzahlabhängig zwischen den beiden Verfahren zum Schätzen der Rotorlage umgeschaltet.Because of the specific advantages and disadvantages of anisotropy and EMF-based methods, it is not uncommon to combine two observers for the rotor position in order to use the respective advantages and to compensate for the disadvantages. With such a combination, a switch is made between the two methods for estimating the rotor position as a function of the speed.
Bei der Umschaltung gibt es verschiedene Möglichkeiten, wie ein hartes oder rampenförmiges Umschalten zwischen den beiden Beobachtern. Das Umschalten selbst, aber auch das Einschwingverhalten der einzelnen Beobachter, hat eine negative Auswirkung auf die überlagerte Regelung der Synchronmaschine. Aus der CN 108599661 A ist es bekannt, Drehzahl und Rotorlage des Rotors einer permanenterregten Synchronmaschine bei mittleren und hohen Drehzahlen durch einen als Extended Kalman Filter (EKF) definierten Beobachter zu schätzen. Bei geringer Drehzahl erfolgt das Schätzen der Drehzahl und der Rotorlage nach einem Anisotropie-basierten Verfahren, bei dem Grundwellenanteile der zum Betreiben der Synchronmaschine an deren Statorwicklungen angelegten Spannungen mit höherfrequenten Zusatzsignalen überlagert werden. DasThere are various options for switching, such as hard or ramp-shaped switching between the two observers. The switchover itself, but also the transient response of the individual observers, has a negative effect on the superimposed control of the synchronous machine. From CN 108599661 A it is known to estimate the speed and rotor position of the rotor of a permanent magnet synchronous machine at medium and high speeds using an observer defined as an Extended Kalman Filter (EKF). At low speed, the speed and the rotor position are estimated using an anisotropy-based method, in which the fundamental wave components of the voltages applied to the synchronous machine's stator windings to operate are superimposed with higher-frequency additional signals. That
Umschalten zwischen den beiden Beobachtern für die Drehzahl und die Rotorlage erfolgt oberhalb einer Mindestdrehzahl, bei der das EKF stabil arbeitet. Aus M. Bugsch und B. Piepenbreier: "High-Bandwidth Sensorless Control of Synchronous Reluctance Machines in the Low- and Zero-Speed Range", IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 56, No.3, Seiten 2663 bis 2672 ist eine sensorlose Steuerung von synchronen Reluktanzmaschinen im Bereich geringer Geschwindigkeiten bis zum Stillstand bekannt. Durch die Steuerung soll ein Stromrippel, wie er durch eine Erregungsspannung in Form einer Recht- ecksfunktion hervorgerufen wird, und zugleich die Amplitude eines erforderlichen HF Teststroms begrenzt werden. Die dazu vorgeschlagene Steuerung ist für das hochgradig nichtlineare Maschinenverhalten von synchronen Reluktanzmaschinen optimiert. Die Steuerung umfasst eine rauscharme Stromdemodulation durch ein Kalman Filter mit empirischem Tuning. Konkret wird ein maschinenparameterfreies Kalman-Filter vorgeschlagen. Die mit dem Kalman-Filter geschätzten Größen sind der HF-Stromrippel und der Grundwellenstromanteil. Diese Größen werden basierend auf den Erregungsspannungen für den Grundwellenstromanteil und den HF Teststrom sowie Messwerten der tatsächlich fließenden Ströme geschätzt. Auf den geschätzten Strömen basiert eine ansonsten von dem Kalman Filter unabhängige Steuerung der Geschwin- digkeit und der Grundwellenanteile der synchronen Reluktanzmaschine. Switching between the two observers for the speed and the rotor position takes place above a minimum speed at which the EKF works stably. From M. Bugsch and B. Piepenbreier: "High-Bandwidth Sensorless Control of Synchronous Reluctance Machines in the Low- and Zero-Speed Range", IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 56, No.3, pages 2663 to 2672 is one sensorless control of synchronous reluctance machines in the range of low speeds up to standstill known. The control is intended to limit a current ripple, as it is caused by an excitation voltage in the form of a rectangular function, and at the same time limit the amplitude of a required HF test current. The control proposed for this purpose is optimized for the highly non-linear machine behavior of synchronous reluctance machines. The control includes low-noise current demodulation through a Kalman filter with empirical tuning. Specifically, a machine parameter-free Kalman filter is proposed. The quantities estimated with the Kalman filter are the HF current ripple and the fundamental wave current component. These variables are estimated based on the excitation voltages for the fundamental wave current component and the HF test current as well as measured values of the currents actually flowing. A control of the speed and the fundamental wave components of the synchronous reluctance machine, which is otherwise independent of the Kalman filter, is based on the estimated currents.
AUFGABE DER ERFINDUNG OBJECT OF THE INVENTION
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Erfassen einer Rotorlage eines Rotors einer permanenterregten Synchronmaschine sowie eine permanenterregte Synchron- maschine aufzuzeigen, die die Rotorlage bei verschiedenen Drehzahlen der permanenterregten Synchronmaschine präzise bestimmen. Das Verfahren soll dabei robust und für eine Vielzahl von permanenterregten Synchronmaschinen geeignet sein. The invention is based on the object of providing a method for detecting a rotor position of a rotor of a permanent-magnet synchronous machine and a permanent-magnet synchronous machine which precisely determine the rotor position at different speeds of the permanent-magnet synchronous machine. The method should be robust and suitable for a large number of permanent magnet synchronous machines.
LÖSUNG SOLUTION
Die Aufgabe der Erfindung wird durch ein Verfahren zum Erfassen einer Rotorlage einer permanenterregten Synchronmaschine mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 und durch eine permanenterregte Synchronmaschine mit den Merkmalen des unabhängigenThe object of the invention is achieved by a method for detecting a rotor position of a permanently excited synchronous machine with the features of independent claim 1 and by a permanently excited synchronous machine with the features of the independent
Patentanspruchs 8 gelöst. Die abhängigen Patentansprüche betreffen bevorzugte Ausführungs- formen des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen permanenterregten Synchronmaschine. Der Patentanspruch 15 ist dabei auf eine permanenterregte Synchron- maschine mit Einrichtungen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens gerichtet. BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG Claim 8 solved. The dependent claims relate to preferred embodiments of the method according to the invention and the permanently excited synchronous machine according to the invention. Claim 15 is directed to a permanent magnet synchronous machine with devices for carrying out the method according to the invention. DESCRIPTION OF THE INVENTION
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Erfassen einer Rotorlage eines Rotors einer permanenterregten Synchronmaschine werden Spannungen an Statorwicklungen der Synchron- maschine angelegt, wobei zum Betreiben der Synchronmaschine angelegte Grundwellenanteile der Spannungen bei niedrigen Drehzahlen der Synchronmaschine mit höherfrequenten Zusatz- signalen überlagert werden. Ströme durch die Statorwicklungen, die als Antworten auf die angelegten Spannungen fließen, werden gemessen. Ein Beobachter zum Schätzen der Rotorlage der permanenterregten Synchronmaschine auf Basis der an die Statorwicklungen angelegten Spannungen und der durch die Statorwicklungen fließenden Ströme wird als Extended Kalman Filter (EKF) definiert. Dabei beinhaltet das EKF ein Modell der Synchron- maschine, das erfindungsgemäß einen Grundwellenmodellanteil und einen Zusatzsignalmodell- anteil als Teile seiner geschlossenen mathematischen Darstellung im Zustandsraum aufweist. Als Eingangssignale des EKF werden die Grundwellenanteile und die Zusatzsignale der ange- legten Spannungen und die gemessenen Ströme verwendet und dazu fortlaufend in das EKF eingegeben. Das EKF wird bei allen Drehzahlen der Synchronmaschine als einziger Beobachter für die Rotorlage verwendet, d. h., es wird nicht zwischen zwei oder mehr verschiedenen Beobachtern zum Schätzen der Rotorlage der permanenterregten Synchronmaschine drehzahl- abhängig umgeschaltet oder anderweitig synchronisiert. In the method according to the invention for detecting a rotor position of a rotor of a permanent magnet synchronous machine, voltages are applied to the stator windings of the synchronous machine, with higher-frequency additional signals superimposed on the fundamental wave components of the voltages applied to operate the synchronous machine at low speeds of the synchronous machine. Currents through the stator windings flowing in response to the applied voltages are measured. An observer for estimating the rotor position of the permanent magnet synchronous machine based on the voltages applied to the stator windings and the currents flowing through the stator windings is defined as an Extended Kalman Filter (EKF). The EKF contains a model of the synchronous machine which, according to the invention, has a fundamental wave model component and an additional signal model component as parts of its closed mathematical representation in the state space. The fundamental wave components and the additional signals of the applied voltages and the measured currents are used as input signals to the EKF and are continuously entered into the EKF. The EKF is used as the only observer for the rotor position at all speeds of the synchronous machine, i. That is, there is no speed-dependent switchover or other synchronization between two or more different observers for estimating the rotor position of the permanent-magnet synchronous machine.
Dass bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die zum Betreiben der Synchronmaschine angelegten Grundwellenanteile der Spannungen bei niedrigen Drehzahlen der Synchron- maschine mit höherfrequenten Zusatzsignalen überlagert werden, schließt ausdrücklich nicht aus, dass dieses Überlagern auch bei höheren Drehzahlen erfolgt. Anders gesagt erfolgt das Überlagern der Zusatzsignale zumindest bei den niedrigen Drehzahlen, insbesondere in einem bei null beginnenden Drehzahlbereich. Um die Grundwellenanteile und die Zusatzsignale der angelegten Spannungen als Eingangs- größen des EKF zu verwenden, können direkt Messwerte der Grundwellenanteile und der Zusatzsignale oder entsprechende Sollvorgaben für diese Anteile der angelegten Spannungen verwendet werden. Es können aber beispielsweise auch die an Statorwicklungen der Synchron- maschine angelegten Spannungen einerseits und deren Grundwellenanteile oder die Zusatzsignale andererseits fortlaufend in das EKF eingegeben werden, weil deren Differenz die fehlenden Anteile, d. h. die Zusatzsignale oder die Grundwellenanteile, bereitstellt. Das Modell der Synchronmaschine kann ein rein elektrisches Modell sein. Als Teil der geschlossenen mathematischen Darstellung des Modells der Synchronmaschine im Zustandsraum kann jedoch auch ein mechanischer Modellanteil vorgesehen sein. Durch die Integration des mechanischen Modellanteils des Modells der Synchronmaschine in die Zustandsgleichungen des EKF, wird die Genauigkeit und Robustheit erhöht, mit der das EKF die Rotorlage in Betriebspunkten mit geringem Informationsgehalt der zur Verfügung stehenden Messungen, wie z. B. bei sehr niedrigen Drehzahlen der Synchronmaschine oder bei hochausgelasteter Maschine, schätzt. The fact that in the method according to the invention the fundamental wave components of the voltages applied to operate the synchronous machine are superimposed with higher-frequency additional signals at low speeds of the synchronous machine does not expressly exclude that this superimposition also takes place at higher speeds. In other words, the additional signals are superimposed at least at the low speeds, in particular in a speed range starting at zero. In order to use the fundamental wave components and the additional signals of the applied voltages as input variables of the EKF, measured values of the fundamental wave components and the additional signals or corresponding target values for these components of the applied voltages can be used. For example, the voltages applied to the stator windings of the synchronous machine on the one hand and their fundamental wave components or the additional signals on the other hand can be continuously entered into the EKF because their difference provides the missing components, ie the additional signals or the fundamental wave components. The model of the synchronous machine can be a purely electrical model. However, a mechanical model component can also be provided as part of the closed mathematical representation of the model of the synchronous machine in the state space. By integrating the mechanical part of the model of the synchronous machine in the equations of state of the EKF, the accuracy and robustness with which the EKF determines the rotor position in operating points with little information content of the measurements available, such as B. at very low speeds of the synchronous machine or when the machine is very busy.
Das EKF kann weiterhin dazu verwendet werden, Grundwellenstromanteile der Ströme, die als Antworten auf die Grundwellenanteile der angelegten Spannungen durch die Statorwicklungen fließen, zu schätzen und hinsichtlich der Rotorlage der Synchronmaschine auszuwerten. Die geschätzten Grundwellenstromanteile können dann zusammen mit der geschätzten Rotorlage verwendet werden, um die Grundwellenstromanteile auf gewünschte Werte zu regeln. Indem die Grundwellenstromanteile an den gemessenen Strömen durch das EKF geschätzt und nicht beispielsweise durch Bandsperren oder mit umlaufenden Tiefpassfiltern aus den gemessenen Strömen isoliert werden, wird weder die Signalqualität der Grundwellenstromanteile reduziert noch eine Phasenverzögerung eingeführt. So ist eine optimale Grundlage für die Regelung der Grundwellenstromanteile zum optimalen Betreiben der Synchronmaschine gegeben. The EKF can also be used to estimate the fundamental current components of the currents that flow through the stator windings as responses to the fundamental wave components of the applied voltages and to evaluate them with regard to the rotor position of the synchronous machine. The estimated fundamental current components can then be used together with the estimated rotor position in order to regulate the fundamental current components to desired values. Since the fundamental wave current components of the measured currents are estimated by the EKF and not isolated from the measured currents, for example by bandstop filters or with rotating low-pass filters, neither the signal quality of the fundamental wave current components is reduced nor a phase delay is introduced. This provides an optimal basis for regulating the fundamental wave current components for optimal operation of the synchronous machine.
Das EKF kann weiterhin Zusatzstromanteile der Ströme, die als Antworten auf die höher- frequenten Zusatzsignale der angelegten Spannungen durch die Statorwicklungen fließen, schätzen und ebenfalls hinsichtlich der Rotorlage der Synchronmaschine auswerten. The EKF can also estimate additional current components of the currents that flow through the stator windings as responses to the higher-frequency additional signals of the applied voltages and also evaluate them with regard to the rotor position of the synchronous machine.
Darüber hinaus kann das EKF eine Winkelgeschwindigkeit des Rotors als weiteren relevanten Systemzustand der Synchronmaschine neben der Rotorlage, den Grundwellenstromanteilen und den Zusatzstromanteilen schätzen. Insbesondere dann, wenn das Modell der Synchronmaschine einen mechanischen Modellanteil in seinem Zusatzsignalmodellanteil aufweist, kann das EKF diese Schätzung direkt, d. h. ohne den Weg über ein Differenzieren der Rotorlage, vornehmen. In addition, the EKF can estimate an angular speed of the rotor as a further relevant system state of the synchronous machine in addition to the rotor position, the fundamental wave current components and the additional current components. In particular, if the model of the synchronous machine has a mechanical model component in its additional signal model component, the EKF can make this estimate directly, i. H. without going through a differentiation of the rotor position.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann eine Zusatzsignalvorgabe für die Zusatzsignale in Form eines rotierenden Spannungszeigers einer Spannungsstellgröße für die Grundwellenanteile der angelegten Spannungen überlagert werden. Noch konkreter können die Zusatzsignale im alpha-/beta-Koordinatensystem ein Cosinussignal in alpha-Richtung und ein Sinussignal gleicher Amplitude in beta-Richtung umfassen und damit in einen Spannungszeiger resultieren, der um den Ursprung kreist. In the method according to the invention, an additional signal specification for the additional signals in the form of a rotating voltage vector can be superimposed on a voltage manipulated variable for the fundamental wave components of the applied voltages. More specifically, the additional signals in the alpha / beta coordinate system can be a cosine signal in the alpha direction and a sine signal of the same kind Include amplitude in the beta direction and thus result in a voltage vector that circles around the origin.
Eine Frequenz der Zusatzsignale kann mindestens doppelt so groß sein wie eine Bemes- sungsfrequenz der Synchronmaschine. Eine harte Obergrenze für die Frequenz der Zusatz- Signale gibt es nicht. Typischerweise ist ein Spannungssteller für die an die Statorwicklungen einer Synchronmaschine angelegten Spannungen aber nur zur Realisation von Zusatzsignalen begrenzter Frequenz in der Lage. In der Regel wird daher bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Frequenz der Zusatzsignale das 100-fache der Bemessungsfrequenz der Synchronmaschine nicht überschreiten. Die Bemessungsfrequenz einer Synchronmaschine ist die Frequenz der Grundwellenanteile der an die Statorwicklungen der Synchronmaschine angelegten Span- nungen, für die die Synchronmaschine und entsprechend auch ihr Spannungssteller ausgelegt sind. A frequency of the additional signals can be at least twice as great as a rated frequency of the synchronous machine. There is no hard upper limit for the frequency of the additional signals. Typically, however, a voltage regulator for the voltages applied to the stator windings of a synchronous machine is only capable of realizing additional signals of limited frequency. As a rule, therefore, in the method according to the invention, the frequency of the additional signals will not exceed 100 times the rated frequency of the synchronous machine. The rated frequency of a synchronous machine is the frequency of the fundamental wave components of the voltages applied to the stator windings of the synchronous machine, for which the synchronous machine and its voltage regulator are designed.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann das EKF auch noch weitere Zustandsgrößen und System parameter der Synchronmaschine schätzen. So kann das EKF einen in den Statorwicklungen Spannung induzierenden Anteil der Flussverkettung von auf dem Rotor der Synchronmaschine befindlichen Permanentmagneten und/oder eine mechanische Störgröße schätzen. Diese mechanische Störgröße kann insbesondere externe Einflüsse auf den Rotor schätzen, wie sie bei der Verwendung der Synchronmaschine als Antrieb beispielsweise für ein Förderband auftreten. Bei einer erfindungsgemäßen permanenterregten Synchronmaschine mit einem Rotor, mit Statorwicklungen, mit einem Spannungssteller, der zum Anlegen von Spannungen an die Statorwicklungen der Synchronmaschine ausgebildet und angeordnet ist, wobei er zum Betreiben der Synchronmaschine angelegte Grundwellenanteile der Spannungen bei niedrigen Drehzahlen der Synchronmaschine mit höherfrequenten Zusatzsignalen überlagert, mit Messeinrichtungen, die zum Messen von als Antworten auf die angelegten Spannungen durch die Statorwicklungen fließenden Strömen ausgebildet und angeordnet sind, und mit einem Beobachter zum Schätzen einer Rotorlage des Rotors auf Basis der an die Statorwicklungen angelegten Spannungen und der durch die Statorwicklungen fließenden Ströme ist der Beobachter als Extended Kalman Filter (EKF) ausgebildet, wobei das EKF ein Modell der Synchronmaschine mit einem Grundwellenmodellanteil und einem Zusatzsignalmodellanteil beinhaltet. Der Beobachter bzw. das EKF ist zum fortlaufenden Empfangen der Grundwellenanteile und der Zusatzsignale der angelegten Spannungen und der gemessenen Ströme und zum Ausgeben der geschätzten Rotorlage an den Spannungssteller angeordnet. Dabei ist das EKF der einzige Beobachter, der die Rotorlage an den Spannungssteller ausgibt. Das EKF gibt dem Spannungssteller daher auch die Rotorlage bei den niedrigen Drehzahlen vor, und bei der erfindungsgemäßen permanent- erregten Synchronmaschine erfolgt kein drehzahlabhängiges Umschalten oder sonstiges Syn- chronisieren zwischen verschiedenen Beobachtern zum Schätzen der Rotorlage. In the method according to the invention, the EKF can also estimate further state variables and system parameters of the synchronous machine. The EKF can estimate a voltage-inducing portion of the flux linkage of permanent magnets on the rotor of the synchronous machine and / or a mechanical disturbance variable in the stator windings. This mechanical disturbance variable can in particular estimate external influences on the rotor, such as those that occur when the synchronous machine is used as a drive for a conveyor belt, for example. In a permanently excited synchronous machine according to the invention with a rotor, with stator windings, with a voltage regulator, which is designed and arranged to apply voltages to the stator windings of the synchronous machine, wherein it superimposes fundamental wave components of the voltages applied at low speeds of the synchronous machine with higher-frequency additional signals for operating the synchronous machine , with measuring devices designed and arranged to measure currents flowing through the stator windings in response to the applied voltages, and with an observer for estimating a rotor position of the rotor on the basis of the voltages applied to the stator windings and the currents flowing through the stator windings the observer is designed as an Extended Kalman Filter (EKF), the EKF containing a model of the synchronous machine with a fundamental wave model component and an additional signal model component. The observer or the EKF is responsible for continuously receiving the fundamental wave components and the additional signals applied voltages and the measured currents and arranged for outputting the estimated rotor position to the voltage regulator. The EKF is the only observer who outputs the rotor position to the voltage regulator. The EKF therefore also specifies the rotor position for the voltage regulator at the low speeds, and in the permanently excited synchronous machine according to the invention there is no speed-dependent switching or other synchronization between different observers for estimating the rotor position.
Wie schon bei dem erfindungsgemäßen Verfahren gilt, dass die Überlagerung der höher- frequenten Zusatzsignale bei den niedrigen Drehzahlen der Synchronmaschine nicht ausschließt, dass eine solche Überlagerung auch bei höheren Drehzahlen der Synchronmaschine erfolgt. Weiterhin gilt, dass die Grundwellenanteile und die Zusatzsignale der angelegten Spannungen dem EKF auf verschiedene Weise mitgeteilt werden können, insbesondere in Form von Vorgaben für die anzulegenden Spannungen, potentiell aber auch anders, z. B. in Form von Messwerten der der angelegten Spannungen. As with the method according to the invention, the superposition of the higher-frequency additional signals at the low speeds of the synchronous machine does not exclude that such a superposition also takes place at higher speeds of the synchronous machine. Furthermore, the fundamental wave components and the additional signals of the applied voltages can be communicated to the EKF in various ways, in particular in the form of specifications for the voltages to be applied, but potentially also differently, e.g. B. in the form of measured values of the applied voltages.
Vorzugsweise ist das EKF der erfindungsgemäßen permanenterregten Synchronmaschine auch dazu ausgebildet, Grundwellenstromanteile der Ströme, die als Antworten auf die Grundwellen- anteile der angelegten Spannungen durch die Statorwicklungen fließen, zu schätzen und hin- sichtlich der Rotorlage auszuwerten, und dazu angeordnet, die geschätzten Grundwellenstrom- anteile zusammen mit der geschätzten Rotorlage an einen Regler des Spannungsstellers aus- zugeben, der die Grundwellenstromanteile regelt. Das EKF trennt damit ohne ein informations- verlustreiches oder phasenversetzendes Filtern Zusatzstromanteile der Ströme, die als Antworten auf die höherfrequenten Zusatzsignale der angelegten Spannungen durch die Stator- wicklungen fließen, von den gemessenen Strömen ab, sodass die gemessenen Ströme in Grundwellenstromanteile und Zusatzstromanteile aufgeteilt werden. Diese Zusatzstromanteile werden von dem EKF geschätzt und hinsichtlich der Rotorlage ausgewertet. Um alle relevanten Zustandsgrößen der permanenterregten Synchronmaschine zu schätzen, kann das EKF weiterhin ausgebildet sein, um eine Winkelgeschwindigkeit des Rotors zu schätzen, wobei es dann angeordnet ist, um die geschätzte Winkelgeschwindigkeit an den Regler auszugeben, der die Drehzahl der Synchronmaschine durch das Stellen geeigneter Grundwel- lenanteile der angelegten Spannungen, Sollströme oder Solldrehmomente regelt. Ein Zusatzsignalvorgeber der erfindungsgemäßen permanenterregten Synchronmaschine kann eine Zusatzsignalvorgabe für die Zusatzsignale einer Spannungsstellgröße am Ausgang des Reglers für die Grundwellenstromanteile überlagern. Die Zusatzsignalvorgabe kann die Form eines rotierenden Spannungszeigers haben. Der Regler ist der Teil des die Spannungen an die Statorwicklungen anlegenden Spannungsstellers, der die Grundwellenstromanteile regelt. The EKF of the permanent magnet synchronous machine according to the invention is preferably also designed to estimate fundamental wave current components of the currents that flow through the stator windings as responses to the fundamental wave components of the applied voltages and to evaluate them with regard to the rotor position, and is arranged to calculate the estimated fundamental wave current components. to output components together with the estimated rotor position to a regulator of the voltage regulator, which regulates the fundamental current components. The EKF separates the additional current components of the currents that flow through the stator windings as a response to the higher-frequency additional signals of the applied voltages from the measured currents, so that the measured currents are divided into fundamental wave current components and additional current components without any loss of information or phase-shifting filtering. These additional current components are estimated by the EKF and evaluated with regard to the rotor position. In order to estimate all relevant state variables of the permanent magnet synchronous machine, the EKF can furthermore be designed to estimate an angular speed of the rotor, whereby it is then arranged to output the estimated angular speed to the controller, which determines the speed of the synchronous machine by setting suitable basic values - regulates the proportions of the applied voltages, target currents or target torques. An additional signal presetting device of the permanent magnet synchronous machine according to the invention can superimpose an additional signal presetting for the additional signals of a voltage manipulated variable at the output of the controller for the fundamental wave current components. The additional signal specification can have the form of a rotating voltage vector. The regulator is the part of the voltage regulator which applies the voltages to the stator windings and which regulates the fundamental current components.
Das EKF kann weiterhin ausgebildet sein, um einen in den Statorwicklungen Spannung induzierenden Anteil der Flussverkettung von auf dem Rotor befindlichen Permanentmagneten und/oder eine mechanische Störgröße zu schätzen. Dabei kann das EKF dazu angeordnet sein, die Ergebnisse dieser Schätzungen an den Spannungssteller zu übermitteln. So kann der Spannungssteller auch diese Zustandsgrößen und System parameter bei der Regelung der Grundwellenstromanteile berücksichtigen. Diese Berücksichtigung erweist sich jedoch bei der erfindungsgemäßen permanenterregten Synchronmaschine häufig als nicht notwendig. The EKF can furthermore be designed to estimate a portion of the flux linkage of permanent magnets located on the rotor that induces voltage in the stator windings and / or a mechanical disturbance variable. The EKF can be arranged to transmit the results of these estimates to the voltage regulator. In this way, the voltage regulator can also take these state variables and system parameters into account when regulating the fundamental current components. However, this consideration often turns out to be unnecessary in the case of the permanent magnet synchronous machine according to the invention.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen permanenterregten Synchronmaschine können die Zustandsgleichungen des EKF den Grundwellenmodellanteil des Modells der Synchronmaschine in folgender Form beschreiben:
Figure imgf000011_0001
In the method according to the invention and the permanent magnet synchronous machine according to the invention, the equations of state of the EKF can describe the fundamental wave model component of the model of the synchronous machine in the following form:
Figure imgf000011_0001
Zustandsgleichungen zur Störgrößen- und Parameterschätzung können die folgende Form haben:
Figure imgf000011_0002
Dabei gilt folgende Definition einer Grundwelleninduktivitätsmatrix Lαβel):
Figure imgf000011_0003
mit:
Figure imgf000012_0001
und folgende Definition einer Matrix der differenziellen Induktivitäten Lαβ,HFel): Lαβ,HFel)
Figure imgf000012_0002
mit:
Figure imgf000012_0003
sowie folgende Definition einer Widerstandsmatrix Rαβ,HF des Zusatzsignalmodellanteils für die höherfrequenten periodischen Zusatzsignale:
Figure imgf000012_0004
bei Definition eines Permanentmagnetfelds Ψ PM,αβel):
Figure imgf000012_0005
wobei die Vektoren wie folgt definiert sind:
Figure imgf000012_0006
und wobei
State equations for the estimation of disturbance variables and parameters can have the following form:
Figure imgf000011_0002
The following definition of a fundamental wave inductance matrix L αβel ) applies:
Figure imgf000011_0003
with:
Figure imgf000012_0001
and the following definition of a matrix of the differential inductances L αβ, HFel ): L αβ, HFel )
Figure imgf000012_0002
with:
Figure imgf000012_0003
and the following definition of a resistance matrix R αβ, HF of the additional signal model component for the higher-frequency periodic additional signals:
Figure imgf000012_0004
when defining a permanent magnetic field Ψ PM, αβel ):
Figure imgf000012_0005
where the vectors are defined as follows:
Figure imgf000012_0006
and where
RS ein Strangwiderstand einer der Statorwicklungen ist, Ld eine Grundwelleninduktivität in d-Richtung ist, R S is a phase resistance of one of the stator windings, L d is a fundamental wave inductance in the d direction,
Lq eine Grundwelleninduktivität in q-Richtung ist, L q is a fundamental wave inductance in q-direction,
Ld HF eine differenzielle Induktivität in d-Richtung ist, L d HF is a differential inductance in the d direction,
Lq HF eine differenzielle Induktivität in q-Richtung ist, Ldq,HF eine differenzielle Koppelinduktivität ist, ψPM ein Permanentmagnetfeld der Synchronmaschine (1) ist, ψα eine Flussverkettung in α-Richtung ist, ψβ eine Flussverkettung in β -Richtung ist, L q HF is a differential inductance in the q direction, L dq, HF is a differential coupling inductance, ψ PM is a permanent magnetic field of the synchronous machine (1), ψ α is a flux linkage in the α direction, ψ β is a flux linkage in the β direction,
Rαα ein Widerstand des Zusatzsignalmodellanteils in «-Richtung ist, R αα is a resistance of the additional signal model component in the «direction,
Rββ ein Wderstand des Zusatzsignalmodellanteils in /^-Richtung ist, R ββ is a resistance of the additional signal model component in the / ^ direction,
Rαβ ein Koppelwiderstand des Zusatzsignalmodellanteils ist, iα ein Strom in α-Richtung ist, iβ ein Strom in β -Richtung ist, uα ein Grundwellenanteil der Spannungen in «-Richtung ist, uβ ein Grundwellenanteil der Spannungen in /^-Richtung ist, uα,HF ein höherfrequentes periodisches Zusatzsignal der Spannungen in «-Richtung ist uβ,HF ein höherfrequentes periodisches Zusatzsignal der Spannungen in /^-Richtung ist und φel eine elektrische Rotorlage ist. R αβ is a coupling resistance of the additional signal model component, i α is a current in the α direction, iβ is a current in the β direction, u α is a fundamental wave component of the voltages in the direction, u β is a fundamental wave component of the voltages in the / ^ direction is, u α, HF is a higher-frequency periodic additional signal of the voltages in the direction, u β, HF is a higher-frequency periodic additional signal of the voltages in the / ^ direction and φ el is an electrical rotor position.
Den mechanischen Modellanteil des Modells der Synchronmaschine können die Zustands- gleichungen des EKF in der folgenden Form beschreiben:
Figure imgf000013_0001
wobei
The equations of state of the EKF can describe the mechanical model part of the model of the synchronous machine in the following form:
Figure imgf000013_0001
whereby
Mi ein inneres Drehmoment ist, p eine Polpaarzahl der Synchronmaschine (1) ist, M i is an internal torque, p is a number of pole pairs of the synchronous machine (1),
MStör ein geschätztes Störmoment ist, φm die (interessierende) mechanische Rotorlage (22) ist, ωm eine mechanische Winkelgeschwindigkeit ist und M Stör is an estimated disturbance torque, φ m is the mechanical rotor position (22) (of interest), ω m is a mechanical angular velocity and
Jm eine Massenträgheit ist. Bei dem EKF des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen permanenter- regten Synchronmaschine kann eine Kovarianzmatrix des Systemrauschens für einen oder mehrere Systemparameter, beispielsweise das Permanentmagnetfeld der Synchronmaschine abhängig von einer aktuellen Drehzahl der Synchronmaschine variiert werden. Dazu kann eine Funktion des EKF zur Gewichtung einer Schätzung des System Parameters xSP abhängig von der aktuellen Drehzahl der Maschine definiert sein. Konkret kann ein Hauptdiagonaleintrag qSP der Kovarianzmatrix des Systemrauschens für den Systemparameter xSP wie folgt definiert sein:
Figure imgf000014_0001
wobei qmin ein Mimimalwert des zu xSP gehörenden Hauptdiagonaleintrags der
J m is an inertia. In the EKF of the method according to the invention and the permanently excited synchronous machine according to the invention, a covariance matrix of the system noise for one or more system parameters, for example the permanent magnetic field of the synchronous machine, can be varied depending on a current speed of the synchronous machine. For this purpose, a function of the EKF for weighting an estimate of the system parameter x SP as a function of the current speed of the machine can be defined. Specifically, a main diagonal entry q SP of the covariance matrix of the system noise for the system parameter x SP can be defined as follows:
Figure imgf000014_0001
where q min is a minimum value of the main diagonal entry belonging to x SP
Kovarianzmatrix des Systemrauschens ist, qmax ein Maximalwert des zu xSP gehörenden Hauptdiagonaleintrags derThe covariance matrix of the system noise is q max is a maximum value of the main diagonal entry belonging to x SP
Kovarianzmatrix des Systemrauschens ist, ωN1 eine erste Grenz-Winkelgeschwindigkeit ist, ωN2 eine zweite Grenz-Winkelgeschwindigkeit ist und eine mechanische Winkelgeschwindigkeit ist. Demnach wird der zu dem System parameter xSP gehörende Hauptdiagonaleintrag qSP der Kovarianzmatrix des Systemrauschens abhängig von der mechanischen Wnkelgeschwindigkeit bis zu einer ersten Grenz-Winkelgeschwindigkeit ωN1 auf einen Minimalwert qmin festgelegt und oberhalb einer zweiten Grenz-Winkelgeschwindigkeit ωN2 auf einen Maximalwert qmax. Zwischen den beiden Grenz-Winkelgeschwindigkeiten ωN1 und ωN2 ist ein Übergang definiert. Dieser Übergang entfällt, wenn die erste Grenz-Winkelgeschwindigkeit gleich der zweiten Grenz- Winkelgeschwindigkeit ist. Typischerweise ist die zweite Grenz-Wnkelgeschwindigkeit jedoch etwa zweimal bis viermal so groß wie die erste Grenz-Winkelgeschwindigkeit. Is the system noise covariance matrix, ω N1 is a first limiting angular velocity, ω N2 is a second limiting angular velocity, and is a mechanical angular velocity. Accordingly, the main diagonal entry q SP of the covariance matrix of the system noise belonging to the system parameter x SP is set to a minimum value q min up to a first limiting angular speed ω N1 and a maximum value q above a second limiting angular speed ω N2 max . A transition is defined between the two limit angular velocities ω N1 and ω N2. This transition does not apply if the first limiting angular speed is equal to the second limiting angular speed. Typically, however, the second limiting angular speed is approximately two to four times as great as the first limiting angular speed.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen permanenterregten Synchronmaschine kann eine Stromabhängigkeit der Grundwelleninduktivitäten L durch eine differenzierbare Funktion LAppr approximiert werden. Dies kann insbesondere wie folgt durch mehrdimensionale Polynome dritter Ordnung erfolgen:
Figure imgf000015_0001
wobei id ein Strom in d-Richtung ist, iq ein Strom in q-Richtung ist und a0 bis a11 Approximationsparameter sind.
In the method according to the invention and the permanently excited synchronous machine according to the invention, a current dependency of the fundamental wave inductances L can be approximated by a differentiable function L Appr. This can be done in particular as follows using multidimensional third-order polynomials:
Figure imgf000015_0001
where i d is a current in the d direction, i q is a current in the q direction and a 0 to a 11 are approximation parameters.
Auch die Stromabhängigkeit der differenziellen Induktivitäten kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen permanenterregten Synchronmaschine durch stetig differenzierbare Funktionen LHF,Appr. und lHF,Appr. approximiert werden. Dies kann wie folgt durch Polynome dritter Ordnung realisiert werden: In the method according to the invention and the permanently excited synchronous machine according to the invention, the current dependency of the differential inductances can also be determined by continuously differentiable functions L HF, Appr. and l HF, Appr. can be approximated. This can be implemented using third-order polynomials as follows:
Hauptinduktivitäten: LHF,Appr. = b0 + b1 · iq + b2 · iq 2 Koppelinduktivitäten: lHF,Appr. = c0 + c1 · iq + c2 · iq 2 + c3 · iq 3 wobei iq ein Strom in q-Richtung ist und b0 bis b2 und c0 bis c3 Approximationsparameter sind. Main inductances: L HF, Appr. = b 0 + b 1 · i q + b 2 · i q 2 coupling inductances: l HF, Appr. = c 0 + c 1 · i q + c 2 · i q 2 + c 3 · i q 3 where i q is a current in the q-direction and b 0 to b 2 and c 0 to c 3 are approximation parameters.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen, der Be- schreibung und den Zeichnungen. Advantageous further developments of the invention emerge from the patent claims, the description and the drawings.
Die in der Beschreibung genannten Vorteile von Merkmalen und von Kombinationen mehrerer Merkmale sind lediglich beispielhaft und können alternativ oder kumulativ zur Wirkung kommen, ohne dass die Vorteile zwingend von erfindungsgemäßen Ausführungsformen erzielt werden müssen. The advantages of features and of combinations of several features mentioned in the description are merely exemplary and can come into effect alternatively or cumulatively without the advantages necessarily having to be achieved by embodiments according to the invention.
Hinsichtlich des Offenbarungsgehalts - nicht des Schutzbereichs - der ursprünglichen Anmel- dungsunterlagen und des Patents gilt Folgendes: Weitere Merkmale sind den Zeichnungen - insbesondere den dargestellten Geometrien und den relativen Abmessungen mehrerer Bauteile zueinander sowie deren relativer Anordnung und Wirkverbindung - zu entnehmen. Die Kombina- tion von Merkmalen unterschiedlicher Ausführungsformen der Erfindung oder von Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche ist ebenfalls abweichend von den gewählten Rückbeziehun- gen der Patentansprüche möglich und wird hiermit angeregt. Dies betrifft auch solche Merkmale, die in separaten Zeichnungen dargestellt sind oder bei deren Beschreibung genannt werden. Diese Merkmale können auch mit Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche kombiniert werden. Ebenso können in den Patentansprüchen aufgeführte Merkmale für weitere Ausfüh- rungsformen der Erfindung entfallen, was aber nicht für die unabhängigen Patentansprüche des erteilten Patents gilt. Die in den Patentansprüchen und der Beschreibung genannten Merkmale sind bezüglich ihrer Anzahl so zu verstehen, dass genau diese Anzahl oder eine größere Anzahl als die genannte Anzahl vorhanden ist, ohne dass es einer expliziten Verwendung des Adverbs "mindestens" bedarf. Wenn also beispielsweise von einem Modellanteil die Rede ist, ist dies so zu verstehen, dass genau ein Modellanteil, zwei Modellanteile oder noch mehr Modellanteile vorhanden sind. Die in den Patentansprüchen angeführten Merkmale können durch andere Merkmale ergänzt werden oder die einzigen Merkmale sein, die das jeweilige Verfahren oder die jeweilige Synchronmaschine aufweist. With regard to the disclosure content - not the scope of protection - of the original application documents and the patent, the following applies: Further features can be found in the drawings - in particular the illustrated geometries and the relative dimensions of several components to one another and their relative arrangement and operative connection. The combination of features of different embodiments of the invention or of features of different patent claims is also possible in a way deviating from the selected back-references of the patent claims and is hereby suggested. This also applies to features that are shown in separate drawings or mentioned in their description. These features can also be combined with features of different patent claims. Features listed in the claims can also be omitted for further embodiments of the invention, but this does not apply to the independent claims of the granted patent. The number of features mentioned in the claims and the description are to be understood in such a way that precisely this number or a greater number than the specified number is present without the need for an explicit use of the adverb "at least". So if, for example, a model part is mentioned, this is to be understood in such a way that exactly one model part, two model parts or even more model parts are present. The features listed in the patent claims can be supplemented by other features or be the only features that the respective method or the respective synchronous machine has.
Die in den Patentansprüchen enthaltenen Bezugszeichen stellen keine Beschränkung des Um- fangs der durch die Patentansprüche geschützten Gegenstände dar. Sie dienen lediglich dem Zweck, die Patentansprüche leichter verständlich zu machen. The reference signs contained in the claims do not restrict the scope of the subject matter protected by the claims. They only serve the purpose of making the claims easier to understand.
KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN BRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiels weiter erläutert und beschrieben. In the following, the invention is further explained and described on the basis of an exemplary embodiment shown in the figure.
Fig. 1 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße permanenterregte Synchronmaschine. FIGURENBESCHREIBUNG Fig. 1 shows schematically a permanent magnet synchronous machine according to the invention. FIGURE DESCRIPTION
Die in Fig. 1 schematisch dargestellte erfindungsgemäße sensorlose permanenterregte Synchronmaschine 1 umfasst einen elektromechanischen Aufbau 2 mit einem Rotor 3 und einem Stator 4. Der Rotor 3, der alternativ zu seiner in Fig. 1 angedeuteten inneren Anordnung außen liegen kann, weist in Fig. 1 nicht separat dargestellte Permanentmagnete auf, um eine permanente magnetische Erregung bereitzustellen. Der Stator 4 ist mit ebenfalls nicht separat dargestellten Statorwicklungen versehen. Häufig handelt es sich, wie in Fig. 1 durch drei Anschlussleitungen 5 bis 7 angedeutet ist, um drei gegeneinander elektrisch isolierte Statorwick- lungen. Über die Anschlussleitungen 5 bis 7 werden mit einem Wechselrichter 8 Spannungen an die Statorwicklungen angelegt. Als Antworten auf diese Spannungen fließen Ströme durch die Statorwicklungen und über deren Anschlussleitungen 5 bis 7. Diese Ströme werden mit Messein- richtungen 9 bis 11 in den Anschlussleitungen 5 bis 7 gemessen. Die gemessenen Ströme 19 bis 21 werden fortlaufend an ein Extended Kalman Filter 12 übermittelt, das ein durch Zustandsgleichungen beschriebenes Modell 13 der permanenterregten Synchronmaschine 1 umfasst. Zusätzlich werden eine Spannungsstellgröße 14, die ein Regler 15 vorgibt, und eine Zusatzsignalvorgabe 16 fortlaufend an das EKF 12 übermittelt. Die Zusatzsignalvorgabe 16 wird von einem Zusatzsignalvorgeber 17 vorgegeben und der Spannungsstellgröße 14 am Ausgang des Reglers 15 überlagert. Die Spannungsstellgröße 14 gibt Grundwellenanteile der Spannungen vor, die von eingangsseitig an einen Gleichspannungszwischenkreis 18 angeschlossenen Wechselrichter 8 über die Anschlussleitungen 5 bis 7 an die Statorwicklungen des Stators 4 angelegt werden. Der Wechselrichter 8 und der Gleichspannungszwischenkreis 18 sind typischerweise Teile eines Frequenzumrichters, der hier nicht weiter dargestellt ist. Der Regler 15, der Wechselrichter 8 und der Zusatzsignalvorgeber 17 bilden zusammen einen Spannungssteller 28 für die an die Statorwicklungen des Stators 4 der Synchronmaschine 1 angelegten Spannungen. Aufgrund der Zusatzsignalvorgabe 16 werden von dem Wechselrichter 8 den Grundwellenanteilen zumindest bei niedrigen Drehzahlen der Synchronmaschine 1 höherfrequente Zusatzsignale überlagert. Die mit den Messeinrichtungen 9 bis 11 gemessenen Ströme 19 bis 21 sind die Antworten sowohl auf die Grundwellenanteile als auch die Zusatzsignale der an die Statorwicklungen des Stators 4 angelegten Spannungen. Auf Basis der fortlaufend mitgeteilten Werte 14, 17 und 19 bis 21 schätzt das EKF 12 als relevante Zu- standsgrößen der Synchronmaschine 1 eine Rotorlage 22 des Rotors 3, Grundwellenstromanteile 23 der gemessenen Ströme 19 bis 21, die als Antworten auf die Grundwellenanteile der angelegten Spannungen durch die Statorwicklungen fließen, eine Winkelgeschwindigkeit 24 des Rotors 3 und Zusatzstromanteile 25 der gemessenen Ströme 19 bis 21 ab, die als Antworten auf die höherfrequenten Zusatzsignale der angelegten Spannungen durch die Statorwicklungen fließen. Zusätzlich kann das EKF 12 weitere Zustandsgrößen und Systemparameter 26, wie einen in den Statorwicklungen Spannung induzierenden Anteil der Flussverkettung der auf dem Rotor 3 befindlichen Permanentmagnete und/oder eine mechanische Störgröße schätzen, die äußere Einflüsse auf den Rotor 3 anzeigt, und auch diese Zustandsgrößen und System parameter 26 an den Regler 15 übermitteln. Insbesondere basierend auf der Rotorlage 22 und den Grundwellenstromanteilen 23, aber auch auf den weiteren übermittelten Zustandsgrößen und Systemparametern 24 und 26 gibt der Regler 15 die Spannungsstellgröße 14 vor, um die Grundwellenstromanteile 23 einzuregeln, die zum Erreichen einer gewünschten Winkelge- schwindigkeit 24 des Rotors 3 und damit einer bestimmten Drehzahl der Synchronmaschine 1 optimal geeignet sind. Der Regler 15 kann dabei getrennte Teile für die d- und q-Komponenten der Grundwellenstromanteile 23 aufweisen. The sensorless permanently excited synchronous machine 1 according to the invention, shown schematically in FIG. 1, comprises an electromechanical structure 2 with a rotor 3 and a stator 4. The rotor 3, which can be on the outside as an alternative to its inner arrangement indicated in FIG. 1, has in FIG permanent magnets, not shown separately, in order to provide permanent magnetic excitation. The stator 4 is provided with stator windings, also not shown separately. Often it is, as in FIG. 1, through three Connection lines 5 to 7 are indicated, around three stator windings that are electrically isolated from one another. An inverter 8 applies voltages to the stator windings via the connecting lines 5 to 7. In response to these voltages, currents flow through the stator windings and via their connection lines 5 to 7. These currents are measured with measuring devices 9 to 11 in the connection lines 5 to 7. The measured currents 19 to 21 are continuously transmitted to an extended Kalman filter 12, which comprises a model 13 of the permanently excited synchronous machine 1 described by equations of state. In addition, a voltage manipulated variable 14, which is specified by a controller 15, and an additional signal specification 16 are continuously transmitted to the EKF 12. The additional signal default 16 is predetermined by an additional signal default generator 17 and superimposed on the voltage manipulated variable 14 at the output of the controller 15. The voltage manipulated variable 14 specifies fundamental wave components of the voltages that are applied to the stator windings of the stator 4 by the inverters 8 connected on the input side to a DC voltage intermediate circuit 18 via the connecting lines 5 to 7. The inverter 8 and the DC voltage intermediate circuit 18 are typically parts of a frequency converter, which is not shown further here. The controller 15, the inverter 8 and the additional signal pre-generator 17 together form a voltage regulator 28 for the voltages applied to the stator windings of the stator 4 of the synchronous machine 1. Due to the additional signal specification 16, the inverter 8 superimposes higher-frequency additional signals on the fundamental wave components at least at low speeds of the synchronous machine 1. The currents 19 to 21 measured with the measuring devices 9 to 11 are the responses both to the fundamental wave components and to the additional signals of the voltages applied to the stator windings of the stator 4. On the basis of the continuously reported values 14, 17 and 19 to 21, the EKF 12 estimates a rotor position 22 of the rotor 3, fundamental current components 23 of the measured currents 19 to 21, as the relevant state variables of the synchronous machine 1, as responses to the fundamental wave components of the applied voltages flow through the stator windings, an angular velocity 24 of the rotor 3 and additional current components 25 of the measured currents 19 to 21, which flow through the stator windings as responses to the higher-frequency additional signals of the applied voltages. In addition, the EKF 12 can estimate further state variables and system parameters 26, such as a portion of the flux linkage of the permanent magnets located on the rotor 3 that induces voltage in the stator windings and / or a mechanical disturbance variable that indicates external influences on the rotor 3, and also these state variables and Send system parameter 26 to controller 15. In particular based on the rotor position 22 and the fundamental wave current components 23, but also on the other transmitted state variables and The controller 15 specifies the voltage manipulated variable 14 for system parameters 24 and 26 in order to regulate the fundamental wave current components 23 which are optimally suited to achieve a desired angular speed 24 of the rotor 3 and thus a specific speed of the synchronous machine 1. The controller 15 can have separate parts for the d and q components of the fundamental current components 23.
Dem für die Schätzung der Rotorlage 22 eingesetzten EKF 12 liegt das Modell 13 der Synchronmaschine 1 zugrunde, das neben elektrischen Modellanteilen einen den elektro- mechanischen Aufbau 2 beschreibenden mechanischen Modellanteil aufweisen kann. Weiterhin kann das EKF 12 elektrische und/oder mechanische Modellanteile zur Berücksichtigung der konkreten Applikation der Synchronmaschine 1, beispielsweise als Antrieb für ein Förderband, umfassen. Das EKF 12 ist ein nichtlinearer Beobachter, der die Rotorlage 22 grundsätzlich ohne Einfluss einer Anisotropie der Induktivitäten der Synchronmaschine modellbasiert schätzen kann. Allerdings ist der Informationsgehalt für die Schätzung der Rotorlage 22 von der Winkelge- schwindigkeit 24 des Rotors abhängig. Daher werden den durch die Spannungsstellgröße 14 vorgegebenen Grundwellenanteilen der an die Statorwicklungen angelegten Spannungen die durch die Zusatzsignalvorgabe 16 vorgegebenen Zusatzsignale überlagert, welche bei Vorhandensein einer Anisotropie eine zusätzliche Information über die Rotorlage 22 in den als Antworten auf die angelegten Spannungen fließenden und gemessenen Ströme 19 bis 21 hervorrufen. Diese Information über die Rotorlage 22 wird zusätzlich durch das EKF 12 ausgewertet. Dadurch ergibt sich ein Beobachter für die Rotorlage 22, welcher über den gesamten Drehzahlbereich der Synchronmaschine 1 eine hohe Genauigkeit aufweist und die Abhängigkeit von einer deutlichen Anisotropie der Induktivitäten der Synchronmaschine 1 reduziert. Zudem kann das EKF 12 genutzt werden, um die Grundwellenstromanteile 23 von den Zusatzstromanteilen 25 der gemessenen Strömen 19 bis 21 zu trennen. So ist keine üblicherweise eingesetzte Filterung der gemessenen Ströme erforderlich, um die von dem Regler 15 benötigten Grundwellenstromanteile 23 der gemessenen Ströme 19 bis 21 bereitzustellen. Zudem tritt keine Signalverschlechterung und kein filterbedingter Phasenverzug bei dem von dem EKF 12 geschätzten Grundwellenstromanteilen 23 auf. Indem das EKF 12 die Rotorlage 22 auch bei den niedrigen Drehzahlen abschätzt und damit als einziger Beobachter für die Rotorlage 22 in der Synchronmaschine 1 Verwendung findet, ist kein drehzahlabhängiges Umschalten oder eine anderweitige Synchronisation zwischen verschiedenen Beobachtern notwendig, wodurch ein negativer Einfluss einer solchen Umschaltung auf die Funktion des Reglers 15 entfällt. Die Spannungsstellgröße 14 und die Zusatzsignalvorgabe 16, die dem EKF 12 zugeführt werden, bilden insgesamt vier Eingangsgrößen: die Grundwellenspannungen uα,f und uß,f in alpha- und in beta-Richtung sowie die alpha- und beta-Komponenten uα,c und uβ,c der Zusatzsignale. Die Zusatzsignale sind durch ihre Amplitude Uc und Frequenz ωc, welche direkt eingeprägt werden, wobei die Frequenz
Figure imgf000019_0001
konstant ist, während die Amplitude Uc drehzahl- abhängig vorgegeben werden kann, genau bekannt:
Figure imgf000019_0002
The EKF 12 used for estimating the rotor position 22 is based on the model 13 of the synchronous machine 1, which, in addition to electrical model components, can have a mechanical model component describing the electromechanical structure 2. Furthermore, the EKF 12 can include electrical and / or mechanical model components to take into account the specific application of the synchronous machine 1, for example as a drive for a conveyor belt. The EKF 12 is a non-linear observer that can, in principle, estimate the rotor position 22 on the basis of a model without the influence of anisotropy of the inductances of the synchronous machine. However, the information content for the estimation of the rotor position 22 is dependent on the angular speed 24 of the rotor. Therefore, the basic wave components of the voltages applied to the stator windings specified by the voltage manipulated variable 14 are superimposed on the additional signals specified by the additional signal specification 16, which, if anisotropy is present, provide additional information about the rotor position 22 in the currents 19 to 19 flowing and measured as a response to the applied voltages 21 evoke. This information about the rotor position 22 is also evaluated by the EKF 12. This results in an observer for the rotor position 22, which has a high level of accuracy over the entire speed range of the synchronous machine 1 and reduces the dependence on a clear anisotropy of the inductances of the synchronous machine 1. In addition, the EKF 12 can be used to separate the fundamental current components 23 from the additional current components 25 of the measured currents 19 to 21. No filtering of the measured currents, which is usually used, is thus required in order to provide the fundamental wave current components 23 of the measured currents 19 to 21 required by the controller 15. In addition, there is no signal deterioration and no filter-related phase delay in the fundamental wave current components 23 estimated by the EKF 12. Since the EKF 12 also estimates the rotor position 22 at the low speeds and is therefore used as the only observer for the rotor position 22 in the synchronous machine 1, no speed-dependent switching or other synchronization between different observers is necessary, which has a negative influence on such a switching the function of the controller 15 is omitted. The voltage manipulated variable 14 and the additional signal input 16, which are fed to the EKF 12, form a total of four input variables: the fundamental wave voltages u α, f and u ß, f in the alpha and beta directions as well as the alpha and beta components u α, c and u β, c of the additional signals. The additional signals are characterized by their amplitude U c and frequency ω c , which are directly impressed, with the frequency
Figure imgf000019_0001
is constant, while the amplitude U c can be specified as a function of the speed, precisely known:
Figure imgf000019_0002
Die Gesamtspannungsvorgabe 27, welche an den Wechselrichter 8 übergeben wird, ist eine additive Überlagerung beider Anteile:
Figure imgf000019_0003
The total voltage specification 27, which is transferred to the inverter 8, is an additive superposition of both components:
Figure imgf000019_0003
Berechnete Ausgangsgrößen des EKF 12, welche mit Messgrößen abgeglichen werden, sind Gesamtströme, die sich aus Grundwellenstromanteilen und höherfrequenten Zusatzstroman- teilen zusammensetzen:
Figure imgf000019_0004
Calculated output variables of the EKF 12, which are compared with measured variables, are total currents, which are made up of fundamental wave current components and higher-frequency additional current components:
Figure imgf000019_0004
Die Grundwellenstromanteile und die höherfrequenten Zusatzstromanteile ergeben sich aus der Berechnung mehrerer Modellanteile (siehe unten) und einer Korrektur aus einer Beobachter- rückführung multipliziert mit einer Differenz zwischen den gemessenen Strömen 19 bis 21 und den berechneten Ausgangsgrößen des EKF 12 in, d. h. den Gesamtströmen iα,β . Der Zustandsvektor des EKF 12 enthält die Zusatzstromanteile aus einem Zusatzsignal- modellanteil des Modells 13 für höherfrequente Anregung durch die Zusatzsignale sowie die Grundwellenstromanteile aus einem Grundwellenmodellanteil des Modells 13 für die Anregung durch die Grundwellenanteile der an die Statorwicklungen angelegten Spannungen. Zudem enthält der Zustandsvektor die elektrische Winkelgeschwindigkeit und die Rotorlage, d. h. den elektrischen oder den mechanischen Rotorlagewinkel, welche über die Poolpaarzahl der Synchronmaschine in einander umgerechnet werden können. Des Weiteren können weitere System parameter und Störgrößen, wie z. B. das Permanentmagnetfeld als System parameter und ein Störmoment als mechanische Störgröße, geschätzt werden. Dann gilt für den Zustandsvektor: The fundamental wave current components and the higher-frequency additional current components result from the calculation of several model components (see below) and a correction from an observer feedback multiplied by a difference between the measured currents 19 to 21 and the calculated output values of the EKF 12 in, i.e. the total currents i α , β . The state vector of the EKF 12 contains the additional current components from an additional signal model component of the model 13 for higher-frequency excitation by the additional signals as well as the fundamental current components from a fundamental wave model component of the model 13 for the excitation by the fundamental wave components of the voltages applied to the stator windings. In addition, the state vector contains the electrical angular velocity and the rotor position, ie the electrical or mechanical rotor position angle, which can be converted into one another using the number of pool pairs of the synchronous machine. Furthermore, other system parameters and disturbance variables, such as B. the permanent magnetic field as a system parameter and a disturbance torque as a mechanical disturbance variable can be estimated. Then the following applies for the state vector:
Figure imgf000020_0001
Figure imgf000020_0001
Das Modells 13 des EKF kann im Wesentlichen drei Modellanteile aufweisen: den elektrischen Grundwellenmodellanteil für die Anregung der Synchronmaschine durch die Grundwellenanteile der angelegten Spannungen, den elektrischen Zusatzsignalmodellanteil für die höherfrequente periodische Anregung der Synchronmaschine durch die Zusatzsignale und den grundsätzlich optionalen mechanischen Modellanteil zur Berücksichtigung des elektromechanischen Aufbaus 2 der Synchronmaschine inklusive Drehmomentberechnung. Aus den Zustandsgrößen der Modellanteile werden die Ausgangsgrößen, das sind die geschätzten Gesamtströme iαβ, hier im alpha-/beta-Koordinatensystem, bestimmt. Elektrisches Modell der Synchronmaschine bei Anregung durch die Grundwellenanteile (Grundwellenmodellanteil) The model 13 of the EKF can essentially have three model components: the electrical fundamental wave model component for the excitation of the synchronous machine through the fundamental wave components of the applied voltages, the electrical additional signal model component for the higher-frequency periodic excitation of the synchronous machine through the additional signals and the fundamentally optional mechanical model component to take into account the electromechanical Structure 2 of the synchronous machine including torque calculation. The output variables, i.e. the estimated total currents i αβ, here in the alpha / beta coordinate system, are determined from the state variables of the model components. Electrical model of the synchronous machine when excited by the fundamental wave components (fundamental wave model component)
Die Spannungsstellgröße 14 am Ausgang des Reglers 15 liegt in einem typischen Frequenzbereich von 0 bis 400 Hz. Die Spannungsstellgröße 14 in dq- Koordinaten kann mit Hilfe des geschätzten elektrischen Rotorlagewinkels φel in das alpha-/beta-Koordinatensystem transformiert werden und wird als Eingangsgröße für den Grundwellenmodellanteil des Modells 13 der Synchronmaschine 1 genutzt, wie es dem Fachmann grundsätzlich bekannt ist. Die Ausgangsgrößen des Grundwellenmodellanteils sind die geschätzten Grundwellenstromanteile. Die Winkelinformation, welche in diesem Fall ausgewertet wird, findet sich im Term der elektromotorischen Kraft (EMK). Da dieser Term linear von der Winkelgeschwindigkeit abhängt, ist diese Information erst ab einer bestimmten Winkelgeschwindigkeit nutzbar, die typischerweise bei 0,5 bis 1 % der Nenndrehzahl der Synchronmaschine 1 liegt. The voltage manipulated variable 14 at the output of the controller 15 is in a typical frequency range from 0 to 400 Hz. The voltage manipulated variable 14 in dq coordinates can be transformed into the alpha / beta coordinate system with the help of the estimated electrical rotor position angle φ el and is used as an input variable for the fundamental wave model component of the model 13 of the synchronous machine 1 is used, as is known in principle to the person skilled in the art. The output quantities of the fundamental wave model component are the estimated fundamental wave current components. The angle information, which is evaluated in this case, can be found in the term of the electromotive force (EMF). Since this term is linearly dependent on the angular speed, this information can only be used from a certain angular speed, which is typically 0.5 to 1% of the rated speed of the synchronous machine 1.
Elektrisches Modell der Synchronmaschine bei höherfrequenter periodischer Anregung durch die Zusatzsignale (Zusatzsignalmodellanteil) Electrical model of the synchronous machine with higher-frequency periodic excitation by the additional signals (additional signal model component)
Durch die Zusatzsignalvorgabe 16 werden den Grundwellenanteilen der angelegten Spannungen die Zusatzsignale in Form einer höherfrequenten Wechselspannung mit einer typischen Frequenz einer Größenordnung von 1.000 Hz oder größer überlagert. Der Zusatzsignalmodellanteil umfasst spezielle Parameter für die höherfrequenten Zusatzsignale wie die differenziellen Haupt- und Gegeninduktivitäten sowie eine vollbesetzte Widerstandsmatrix. Es ist grundsätzlich bekannt, dass sich die resultierenden höherfrequenten Zusatzstromanteile wie folgt als Stromzeiger im alpha-/beta-Koordinatensystem darstellen lassen:
Figure imgf000021_0001
As a result of the additional signal specification 16, the additional signals in the form of a higher-frequency alternating voltage with a typical frequency of the order of magnitude of 1,000 Hz or greater are superimposed on the fundamental wave components of the applied voltages. The additional signal model component includes special parameters for the higher-frequency additional signals such as the differential main and mutual inductances as well as a fully occupied resistor matrix. It is generally known that the resulting higher-frequency additional current components can be displayed as current vectors in the alpha / beta coordinate system as follows:
Figure imgf000021_0001
Die von der Rotorlage abhängige Phase der höherfrequenten periodischen Zusatzstromanteile ist durch eine Winkelabhängigkeit der Induktivitäten bedingt und setzt einen Unterschied der Induktivitäten in d- und q-Richtung, also eine Anisotropie, voraus. The phase of the higher-frequency periodic additional current components, which is dependent on the rotor position, is due to an angular dependence of the inductances and requires a difference in the inductances in the d and q directions, i.e. anisotropy.
Mechanischer Modellanteil des Modells der Synchronmaschine inklusive Drehmoment- berechnung Mechanical model part of the model of the synchronous machine including torque calculation
Der mechanische Modellanteil umfasst als Eingang eine Gleichung zur Berechnung des inneren Drehmoments der Synchronmaschine aus den Strömen der elektrischen Modellanteile. Die höherfrequenten Zusatzstromanteile haben dabei häufig einen zu vernachlässigenden Einfluss auf das Drehmoment. Zudem kann eine Drehmomentstörgröße geschätzt werden, welche mechanische Parameterfehler kompensiert, aber vor allem Reibverluste sowie Lastmomente und Störmomente berücksichtigt. Durch diese Störgrößenschätzung kann die Winkelschätzung verbessert werden. Aus dem Drehmoment wird die Winkelbeschleunigung und daraus folgend werden durch Integration die Winkelgeschwindigkeit und der Rotorlagewinkel bestimmt. The input of the mechanical model component is an equation for calculating the internal torque of the synchronous machine from the currents of the electrical model components. The higher-frequency additional current components often have a negligible influence on the torque. In addition, a torque disturbance variable can be estimated, which compensates for mechanical parameter errors, but primarily takes into account friction losses as well as load torques and disturbance torques. The angle estimation can be improved by means of this disturbance variable estimation. The angular acceleration is derived from the torque and, as a result, the angular velocity and the rotor position angle are determined by integration.
Zum Vergleich mit den gemessenen Strömen 19 bis 21 werden die Stromanteile von dem Grundwellenmodellanteil und dem Zusatzsignalmodellanteil benötigt. Dazu werden die Zusatzstromanteile aus dem Zusatzsignalmodellanteil additiv mit den Grundwellenstromanteilen aus dem Grundwellenmodellanteil überlagert. For comparison with the measured currents 19 to 21, the current components of the fundamental wave model component and the additional signal model component are required. For this purpose, the additional current components from the additional signal model component are additively superimposed with the fundamental current components from the fundamental wave model component.
Mittels der Differenz zwischen geschätzten und gemessenen Strömen multipliziert mit einer Beobachterrückführmatrix werden die Zustandsgrößen korrigiert. Der zunächst mit Hilfe des mechanischen Modellanteils prädizierte Rotorlagewinkel kann abhängig von der Modellgüte stark fehlerbehaftet sein. Da die Rotorlage sowohl in dem Grundwellenmodellanteil als auch in dem Zusatzsignalmodellanteil enthalten ist und damit die prädizierten Ströme, die als Antwort auf die angelegten Spannungen fließen, beeinflusst, kann durch die Optimierung der Zustandsgrößen hinsichtlich eines minimalen Unterschieds zwischen gemessenen und geschätzten Strömen eine Korrektur der geschätzten Rotorlage vorgenommen werden. Der Grundwellenmodellanteil liefert eine zuverlässige Winkelinformation aus der EMK, welche allerdings linear von der Winkelgeschwindigkeit abhängt, und damit bei geringer Drehzahl und im Stillstand unbrauchbar ist. Vorrangig in diesem Drehzahlbereich sorgt deshalb die zusätzliche Anregung der Synchronmaschine mit den höherfrequenten periodischen Zusatzsignalen dafür, dass durch den Zusatzsignalmodellanteil eine Korrektur der Rotorlage anhand einer Anisotropie-basierten Rotorlageinformation möglich ist. Da die Rotorlage anhand beider Modellanteile korrigiert wird, ist eine Schätzung der Rotorlage im gesamten Drehzahlbereich möglich, ohne dass ein Umschalten oder Überblenden zwischen zwei verschiedenen Schätzverfahren erfolgt. Insbesondere eine zusätzliche Schätzung des Permanentmagnetfelds der Synchronmaschine kann sinnvoll sein, da vor allem die Genauigkeit bei der Schätzung der Winkelgeschwindigkeit gegenüber diesem System parameter empfindlich ist. Bei einem Parameterfehler kommt es zu einem Offset bei der Schätzung der Winkelgeschwindigkeit. Im Stillstand der Synchronmaschine ist der Systemparameter des Permanentmagnetfelds nicht ausreichend bzw. gar nicht angeregt. Daher kann es zu einem Wegdriften der entsprechenden Parameterschätzung kommen. Die Schätzung der Winkelgeschwindigkeit kann durch diesen Effekt beeinflusst werden, und es kann zu einem Offset der Geschwindigkeitsschätzung kommen. Zur Lösung dieser Problematik kann die Gewichtung der Schätzung des Permanentmagnetfelds innerhalb der Kovarianzmatrix des Systemrauschens geschwindigkeitsabhängig definiert werden. Beim Stillstand der Maschine ist die entsprechende Gewichtung null, so dass der System parameter konstant gehalten wird. Mit steigender Geschwindigkeit wird auch die Kovarianz des Permanentmagnetfeldparameters bis auf einen Endwert erhöht, so dass dies Permanentmagnetfeldschätzung vom EKF wieder korrigiert wird. The state variables are corrected by means of the difference between estimated and measured currents multiplied by an observer feedback matrix. The rotor position angle, which is initially predicted with the aid of the mechanical model component, can be highly error-prone, depending on the quality of the model. Since the rotor position is contained both in the fundamental wave model component and in the additional signal model component and thus influences the predicted currents that flow in response to the applied voltages, optimizing the state variables with regard to a minimal difference between measured and estimated currents enables a Correction of the estimated rotor position can be made. The fundamental wave model component supplies reliable angle information from the EMF, which, however, is linearly dependent on the angular velocity and is therefore unusable at low speed and when the system is stationary. Primarily in this speed range, the additional excitation of the synchronous machine with the higher-frequency periodic additional signals ensures that the additional signal model component enables the rotor position to be corrected using anisotropy-based rotor position information. Since the rotor position is corrected using both model components, it is possible to estimate the rotor position in the entire speed range without switching or fading between two different estimation methods. In particular, an additional estimate of the permanent magnetic field of the synchronous machine can be useful, since above all the accuracy when estimating the angular velocity is sensitive to this system parameter. If there is a parameter error, there is an offset in the estimation of the angular velocity. When the synchronous machine is at a standstill, the system parameter of the permanent magnetic field is insufficient or not stimulated at all. The corresponding parameter estimate can therefore drift away. The estimate of the angular velocity can be influenced by this effect, and the velocity estimate can be offset. To solve this problem, the weighting of the estimation of the permanent magnetic field within the covariance matrix of the system noise can be defined as a function of the speed. When the machine is at a standstill, the corresponding weighting is zero, so that the system parameter is kept constant. With increasing speed, the covariance of the permanent magnetic field parameter is also increased up to a final value, so that this permanent magnetic field estimate is corrected again by the EKF.
BEZUGSZEICHENLISTE REFERENCE LIST
1 Synchronmaschine 1 synchronous machine
2 elektromechanischer Aufbau 2 electromechanical structure
3 Rotor 3 rotor
4 Stator 4 stator
5 Anschlussleitung 5 connection cable
6 Anschlussleitung 6 connecting cable
7 Anschlussleitung 7 connection cable
8 Wechselrichter 8 inverters
9 Messeinrichtung 9 measuring device
10 Messeinrichtung 10 measuring device
11 Messeinrichtung 11 measuring device
12 Extended Kalman Filter (EKF) 12 Extended Kalman Filters (EKF)
13 Modell der Synchronmaschine 13 Model of the synchronous machine
14 Spannungsstellgröße 14 voltage manipulated variable
15 Regler 15 controls
16 Zusatzsignalvorgabe 16 Additional signal specification
17 Zusatzsignalvorgeber 17 Additional signal defaults
18 Gleichspannungszwischenkreis 18 DC link
19 gemessener Strom 19 measured current
20 gemessener Strom 20 measured current
21 gemessener Strom 21 measured current
22 Rotorlage 22 rotor position
23 Grundwellenstromanteile 23 fundamental wave current components
24 Winkelgeschwindigkeit 24 angular velocity
25 Zusatzstromanteile 25 additional power components
26 weitere Zustandsgrößen und System parameter26 further state variables and system parameters
27 Gesamtspannungsvorgabe 27 Total voltage specification
28 Spannungssteller 28 voltage regulator

Claims

PATENTANSPRÜCHE PATENT CLAIMS
1. Verfahren zum Erfassen einer Rotorlage eines Rotors (3) einer permanenterregten Synchronmaschine (1) mit 1. Method for detecting a rotor position of a rotor (3) of a permanently excited synchronous machine (1) with
Anlegen von Spannungen an Statorwicklungen der Synchronmaschine (1), wobei zum Betreiben der Synchronmaschine (1) angelegte Grundwellenanteile der Spannungen bei niedrigen Drehzahlen der Synchronmaschine (1) mit höherfrequenten Zusatzsignalen überlagert werden, Applying voltages to the stator windings of the synchronous machine (1), with higher-frequency additional signals superimposed on the fundamental wave components of the voltages applied to operate the synchronous machine (1) at low speeds of the synchronous machine (1),
Messen von als Antworten auf die angelegten Spannungen durch die Statorwicklungen fließenden Strömen (19-21), Measuring currents (19-21) flowing through the stator windings in response to the applied voltages,
Definieren eines Beobachters zum Schätzen der Rotorlage (22) der permanenterregten Synchronmaschine auf Basis der an die Statorwicklungen angelegten Spannungen und der durch die Statorwicklungen fließenden Ströme als Extended Kalman Filter (EKF) (12), das ein Modell (13) der Synchronmaschine (1) beinhaltet, und fortlaufendes Eingeben der angelegten Spannungen und der gemessenen Ströme (19- 21) in das EKF (12), dadurch gekennzeichnet, dass das Modell (13) der Synchronmaschine (1) einen Grundwellenmodellanteil und einen Zusatzsignalmodellanteil aufweist, dass die Grundwellenanteile und die Zusatzsignale der angelegten Spannungen fortlaufend in das EKF (12) eingegeben werden und dass das EKF (12) bei allen Drehzahlen der Synchronmaschine (1) als einziger Beobachter für die Rotorlage (22) verwendet wird. Defining an observer for estimating the rotor position (22) of the permanently excited synchronous machine on the basis of the voltages applied to the stator windings and the currents flowing through the stator windings as an Extended Kalman Filter (EKF) (12), which is a model (13) of the synchronous machine (1) includes, and continuous input of the applied voltages and the measured currents (19-21) into the EKF (12), characterized in that the model (13) of the synchronous machine (1) has a fundamental wave model component and an additional signal model component that the fundamental wave components and the Additional signals of the applied voltages are continuously entered into the EKF (12) and that the EKF (12) is used as the only observer for the rotor position (22) at all speeds of the synchronous machine (1).
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Modell (13) der Synchronmaschine (1) einen mechanischen Modellanteil aufweist. 2. The method according to claim 1, characterized in that the model (13) of the synchronous machine (1) has a mechanical model component.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das EKF (12) verwendet wird, um Grundwellenstromanteile (23) der Ströme, die als Antworten auf die Grundwellenanteile der angelegten Spannungen durch die Statorwicklungen fließen, zu schätzen und hinsichtlich der Rotorlage (22) auszuwerten, und dass die geschätzten Grundwellenstromanteile (23) zusammen mit der geschätzten Rotorlage (22) verwendet werden, um die Grundwellenstromanteile (23) zu regeln. 3. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the EKF (12) is used to estimate fundamental wave current components (23) of the currents that flow through the stator windings as responses to the fundamental wave components of the applied voltages and to estimate the rotor position ( 22), and that the estimated fundamental wave current components (23) are used together with the estimated rotor position (22) in order to regulate the fundamental wave current components (23).
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das EKF (12) verwendet wird, um Zusatzstromanteile (25) der Ströme, die als Antworten auf die höherfrequenten Zusatzsignale der angelegten Spannungen durch die Statorwicklung fließen, zu schätzen und hinsichtlich der Rotorlage (22) auszuwerten. 4. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the EKF (12) is used to estimate additional current components (25) of the currents that flow through the stator winding as responses to the higher-frequency additional signals of the applied voltages and with regard to the rotor position (22) to be evaluated.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das EKF (12) weiterhin verwendet wird, um eine Winkelgeschwindigkeit (24) des Rotors (3) ohne Differenzieren der Rotorlage (22) zu schätzen. 5. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the EKF (12) is further used to estimate an angular velocity (24) of the rotor (3) without differentiating the rotor position (22).
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zusatzsignalvorgabe (16) für die Zusatzsignale in Form eines rotierenden Spannungszeigers einer Spannungsstellgröße (14) für die Grundwellenanteile der angelegten Spannungen überlagert wird. 6. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that an additional signal specification (16) for the additional signals in the form of a rotating voltage vector is superimposed on a voltage manipulated variable (14) for the fundamental wave components of the applied voltages.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das EKF (12) verwendet wird, um einen in den Statorwicklungen Spannung induzierenden Anteil der Flussverkettung von auf dem Rotor (3) befindlichen Permanentmagneten und/oder eine mechanische Störgröße zu schätzen. 7. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the EKF (12) is used to estimate a voltage-inducing portion of the flux linkage of permanent magnets on the rotor (3) in the stator windings and / or a mechanical disturbance variable.
8. Permanenterregte Synchronmaschine (1) mit einem Rotor (3), 8. Permanent magnet synchronous machine (1) with a rotor (3),
Statorwicklungen, einem Spannungssteller (28), der zum Anlegen von Spannungen an die Statorwicklungen der Synchronmaschine (1) ausgebildet und angeordnet ist, wobei der Spannungssteller (28) zum Betreiben der Synchronmaschine (1) angelegte Grundwellenanteile der Spannungen bei niedrigen Drehzahlen der Synchronmaschine (1) mit höherfrequenten Zusatzsignalen überlagert, Messeinrichtungen (9-11), die zum Messen von als Antworten auf die angelegten Spannungen durch die Statorwicklungen fließenden Strömen (19-21) ausgebildet und angeordnet sind, und einem Beobachter, der zum Schätzen einer Rotorlage (22) des Rotors (3) auf Basis der an die Statorwicklungen angelegten Spannungen und der durch die Statorwicklungen fließenden Ströme als Extended Kalman Filter (EKF) (12) ausgebildet ist, wobei das EKF (12) ein Modell (13) der Synchronmaschine (1) beinhaltet, und der zum fortlaufenden Empfangen der angelegten Spannungen und der gemessenen Ströme (19-21) und zum Ausgeben der geschätzten Rotorlage (22) an den Spannungssteller (28) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Modell (13) der Synchronmaschine (1) einen Grundwellenmodellanteil und einen Zusatzsignalmodellanteil aufweist, dass das EKF (12) zum fortlaufenden Empfangen der Grundwellenanteile und der Zusatzsignale der angelegten Spannungen angeordnet ist und dass das EKF (12) der einzige Beobachter ist, der die Rotorlage (22) an den Spannungssteller (28) ausgibt. Stator windings, a voltage regulator (28) which is designed and arranged to apply voltages to the stator windings of the synchronous machine (1), the voltage regulator (28) for operating the synchronous machine (1) applied fundamental wave components of the voltages at low speeds of the synchronous machine (1 ) superimposed with higher-frequency additional signals, measuring devices (9-11) which are designed and arranged to measure currents (19-21) flowing through the stator windings as responses to the voltages applied, and an observer who is used to estimate a rotor position (22) of the rotor (3) is designed as an extended Kalman filter (EKF) (12) based on the voltages applied to the stator windings and the currents flowing through the stator windings, the EKF (12) containing a model (13) of the synchronous machine (1) , and the one to continuously receive the created Voltages and the measured currents (19-21) and for outputting the estimated rotor position (22) to the voltage regulator (28), characterized in that the model (13) of the synchronous machine (1) has a fundamental wave model component and an additional signal model component that the EKF (12) is arranged to continuously receive the fundamental wave components and the additional signals of the applied voltages and that the EKF (12) is the only observer who outputs the rotor position (22) to the voltage regulator (28).
9. Permanenterregte Synchronmaschine (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Modell (13) der Synchronmaschine (1) einen mechanischen Modellanteil aufweist. 9. Permanent magnet synchronous machine (1) according to claim 8, characterized in that the model (13) of the synchronous machine (1) has a mechanical model component.
10. Permanenterregte Synchronmaschine (1) nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekenn- zeichnet, dass das EKF (12) ausgebildet ist, um Grundwellenstromanteile der Ströme, die als Antworten auf die Grundwellenanteile der angelegten Spannungen durch die Statorwicklungen fließen, zu schätzen und hinsichtlich der Rotorlage (22) auszuwerten, und angeordnet ist, um die geschätzten Grundwellenstromanteile (23) zusammen mit der geschätzten Rotorlage (22) an einen Regler (15) des Spannungsstellers (28) auszugeben, der die Grundwellenstromanteile (23) regelt. 10. Permanently excited synchronous machine (1) according to claim 8 or 9, characterized in that the EKF (12) is designed to estimate and with regard to fundamental wave current components of the currents that flow through the stator windings as responses to the fundamental wave components of the applied voltages the rotor position (22) and is arranged to output the estimated fundamental current components (23) together with the estimated rotor position (22) to a controller (15) of the voltage regulator (28) which regulates the fundamental current components (23).
11. Permanenterregte Synchronmaschine (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das EKF (12) ausgebildet ist, um Zusatzstromanteile (25) der Ströme, die als Antworten auf die höherfrequenten Zusatzsignale der angelegten Spannungen durch die Statorwicklung fließen, zu schätzen und hinsichtlich der Rotorlage (22) auszuwerten. 11. Permanent magnet synchronous machine (1) according to one of claims 8 to 10, characterized in that the EKF (12) is designed to generate additional current components (25) of the currents which flow through the stator winding as responses to the higher-frequency additional signals of the applied voltages, to estimate and evaluate with regard to the rotor position (22).
12. Permanenterregte Synchronmaschine (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass das EKF (12) ausgebildet ist, um weiterhin eine Winkelgeschwindigkeit (24) des Rotors (3) ohne Differenzieren der Rotorlage (22) zu schätzen, und angeordnet ist, um die geschätzte Wnkelgeschwindigkeit (24) an den oder einen Regler (15) des Spannungsstellers (28) auszugeben, der eine Drehzahl der Synchronmaschine (1) regelt. 12. Permanent magnet synchronous machine (1) according to one of claims 8 to 11, characterized in that the EKF (12) is designed to further estimate an angular velocity (24) of the rotor (3) without differentiating the rotor position (22), and is arranged to output the estimated angular velocity (24) to the or a controller (15) of the voltage regulator (28), which regulates a speed of the synchronous machine (1).
13. Permanenterregte Synchronmaschine (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zusatzsignalvorgeber (17) eine Zusatzsignalvorgabe (16) für die Zusatzsignale in Form eines rotierenden Spannungszeigers einer Spannungsstellgröße (14) am Ausgang eines oder des Reglers (15) des Spannungsstellers (28) überlagert, der die Grundwel- lenstromanteile (23) regelt. 13. Permanently excited synchronous machine (1) according to one of claims 8 to 12, characterized in that an additional signal predictor (17) an additional signal default (16) for the Additional signals in the form of a rotating voltage vector are superimposed on a voltage manipulated variable (14) at the output of a controller (15) of the voltage controller (28), which regulates the fundamental wave current components (23).
14. Permanenterregte Synchronmaschine (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das EKF (12) ausgebildet ist, um einen in den Statorwicklungen Spannung induzierenden Anteil der Flussverkettung von auf dem Rotor (3) befindlichen Permanentmagneten und/odereine mechanische Störgröße zu schätzen, und angeordnet ist, um den induzierenden Anteil der Flussverkettung und/oder die mechanische Störgröße an einen oder den Regler (15) des Spannungsstellers (28) auszugeben. 14. Permanent magnet synchronous machine (1) according to one of claims 8 to 13, characterized in that the EKF (12) is designed to induce a voltage in the stator windings portion of the flux linkage of permanent magnets on the rotor (3) and / or a mechanical Estimate disturbance variable, and is arranged to output the inducing portion of the flux linkage and / or the mechanical disturbance variable to one or the controller (15) of the voltage regulator (28).
15. Permanenterregte Synchronmaschine (1), insbesondere nach einem der Ansprüche 8 bis 14, mit 15. Permanent magnet synchronous machine (1), in particular according to one of claims 8 to 14, with
Statorwicklungen und Stator windings and
Einrichtungen, die zum Ausführen des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8 ausgebildet und angeordnet sind. Devices which are designed and arranged for carrying out the method according to one of Claims 1 to 8.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 oder permanenterregte Synchronmaschine (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass Zustandsgleichungen des EKF (12) den Grundwellenmodellanteil in der Form:
Figure imgf000027_0001
mit Ψαβ = Lαβel) · iαβ + ΨPM,αβel) und den Zusatzsignalanteil in der Form:
Figure imgf000027_0002
beschreiben, wobei Zustandsgleichungen zur Störgrößen- und Parameterschätzung die Form haben:
Figure imgf000027_0003
bei Definition einer Grundwelleninduktivitätsmatrix Lαβel):
Figure imgf000028_0001
mit:
Figure imgf000028_0002
bei Definition einer Matrix der differenziellen Induktivitäten Lαβ,HFel):
Figure imgf000028_0003
bei Definition einer Widerstandsmatrix Rαβ,HF des Zusatzsignalmodellanteils:
Figure imgf000028_0004
bei Definition eines Permanentmagnetfelds ΨPM,αβel):
Figure imgf000028_0005
wöbe die Vektoren wie folgt definiert sind:
Figure imgf000028_0006
und wobei
16. The method according to one of claims 1 to 7 or permanent magnet synchronous machine (1) according to one of claims 8 to 15, characterized in that the equations of state of the EKF (12) the fundamental wave model component in the form:
Figure imgf000027_0001
with Ψ αβ = L αβel ) i αβ + Ψ PM, αβel ) and the additional signal component in the form:
Figure imgf000027_0002
describe, whereby equations of state for the estimation of disturbance variables and parameters have the form:
Figure imgf000027_0003
when defining a fundamental wave inductance matrix L αβel ):
Figure imgf000028_0001
with:
Figure imgf000028_0002
when defining a matrix of the differential inductances L αβ, HFel ):
Figure imgf000028_0003
when defining a resistance matrix R αβ, HF of the additional signal model component:
Figure imgf000028_0004
when defining a permanent magnetic field Ψ PM, αβel ):
Figure imgf000028_0005
the vectors are defined as follows:
Figure imgf000028_0006
and where
RS ein Strangwiderstand einer der Statorwicklungen ist, Ld eine Grundwelleninduktivität in d-Richtung ist, R S is a phase resistance of one of the stator windings, L d is a fundamental wave inductance in the d direction,
Lq eine Grundwelleninduktivität in q-Richtung ist, Ld,HF eine differenzielle Induktivität in d-Richtung ist, L q is a fundamental wave inductance in q-direction, L d, HF is a differential inductance in the d direction,
Lq,HF eine differenzielle Induktivität in q-Richtung ist, L q, HF is a differential inductance in the q direction,
Ldq,HF eine differenzielle Koppelinduktivität ist, L dq, HF is a differential coupling inductance,
ΨPM ein Permanentmagnetfeld der Synchronmaschine (1) ist, Ψ PM is a permanent magnetic field of the synchronous machine (1),
Ψα eine Flussverkettung in α-Richtung ist, Ψ α is a flux linkage in the α direction,
Ψβ eine Flussverkettung in β-Richtung ist, Ψ β is a flux linkage in the β direction,
Rαα ein Widerstand des Zusatzsignalmodellanteils in «-Richtung ist, R αα is a resistance of the additional signal model component in the «direction,
Rββ ein Wderstand des Zusatzsignalmodellanteils in /^-Richtung ist, R ββ is a resistance of the additional signal model component in the / ^ direction,
Rαβ ein Koppelwiderstand des Zusatzsignalmodellanteils ist, iα ein Strom in α-Richtung ist, iβ ein Strom in β-Richtung ist, uα ein Grundwellenanteil der Spannungen in α-Richtung ist, uβ ein Grundwellenanteil der Spannungen in β-Richtung ist, uα,HF ein höherfrequentes periodisches Zusatzsignal der Spannungen in α-Richtung istk uβ,HF ein höherfrequentes periodisches Zusatzsignal der Spannungen in β-Richtung ist und φel eine elektrische Rotorlage ist. R αβ is a coupling resistance of the additional signal model component, i α is a current in the α direction, i β is a current in the β direction, u α is a fundamental wave component of the voltages in the α direction, uβ is a fundamental wave component of the voltages in the β direction , u α, HF is a higher-frequency periodic additional signal of the voltages in the α-direction k u β, HF is a higher-frequency periodic additional signal of the voltages in the β-direction and φ el is an electrical rotor position.
17. Verfahren oder permanenterregte Synchronmaschine (1) nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass Zustandsgleichungen des EKF (12) den oder einen mechanischen Modellanteil des Modells (13) der Synchronmaschine (1) in der Form beschreiben:
Figure imgf000029_0001
wobei
17. The method or permanent magnet synchronous machine (1) according to claim 16, characterized in that the equations of state of the EKF (12) describe the or a mechanical model part of the model (13) of the synchronous machine (1) in the form:
Figure imgf000029_0001
whereby
Mi ein inneres Drehmoment ist, p eine Polpaarzahl der Synchronmaschine (1) ist, M i is an internal torque, p is a number of pole pairs of the synchronous machine (1),
MStör ein geschätztes Störmoment ist, φm die (interessierende) mechanische Rotorlage (22) ist, ωm eine mechanische Winkelgeschwindigkeit ist und M Stör is an estimated disturbance torque, φ m is the mechanical rotor position (22) (of interest), ω m is a mechanical angular velocity and
Jm eine Massenträgheit ist. J m is an inertia.
18. Verfahren oder permanenterregte Synchronmaschine (1) nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass in dem EKF (12) eine Kovarianzmatrix des Systemrauschens für einen System parameter der Synchronmaschine (1) abhängig von einer aktuellen Drehzahl der Synchronmaschine (1) variiert wird. 18. The method or permanent magnet synchronous machine (1) according to claim 17, characterized in that a covariance matrix of the system noise for a system parameter of the synchronous machine (1) is varied depending on a current speed of the synchronous machine (1) in the EKF (12).
19. Verfahren oder permanenterregte Synchronmaschine (1) nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass eine Funktion des EKF (12) zur Gewichtung einer Schätzung des System parameters abhängig von der aktuellen Drehzahl der Synchronmaschine (1) definiert ist. 19. The method or permanent magnet synchronous machine (1) according to claim 18, characterized in that a function of the EKF (12) for weighting an estimate of the system parameters is defined as a function of the current speed of the synchronous machine (1).
20. Verfahren oder permanenterregte Synchronmaschine (1) nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass ein Hauptdiagonaleintrag qSP der Kovarianzmatrix des20. The method or permanent magnet synchronous machine (1) according to claim 18 or 19, characterized in that a main diagonal entry q SP of the covariance matrix of the
Systemrauschens für den Systemparameter xSP wie folgt definiert ist:
Figure imgf000030_0001
wobei qmin ein Mimimalwert des zu xSP gehörenden Hauptdiagonaleintrags der
System noise for the system parameter x SP is defined as follows:
Figure imgf000030_0001
where q min is a minimum value of the main diagonal entry belonging to x SP
Kovarianzmatrix des Systemrauschens ist, qmax ein Maximalwert des zu xSP gehörenden Hauptdiagonaleintrags derThe covariance matrix of the system noise is q max is a maximum value of the main diagonal entry belonging to x SP
Kovarianzmatrix des Systemrauschens ist, ωΝ1 eine erste Grenz-Winkelgeschwindigkeit ist, ωΝ2 eine zweite Grenz-Winkelgeschwindigkeit ist und ωm eine mechanische Winkelgeschwindigkeit ist. Is the covariance matrix of the system noise, ωΝ1 is a first limiting angular velocity, ωΝ2 is a second limiting angular velocity, and ω m is a mechanical angular velocity.
21. Verfahren oder permanenterregte Synchronmaschine (1) nach einem der Ansprüche 16 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass eine Stromabhängigkeit der Grundwelleninduktivitäten L durch eine stetig differenzierbare Funktion LAppr. approximiert wird. 21. The method or permanent magnet synchronous machine (1) according to one of claims 16 to 20, characterized in that a current dependency of the fundamental wave inductances L is approximated by a continuously differentiable function L Appr.
22. Verfahren oder permanenterregte Synchronmaschine (1) nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromabhängigkeit der Grundwelleninduktivität L wie folgt durch mehrdimensionale Polynome dritter Ordnung approximiert wird: 22. The method or permanent magnet synchronous machine (1) according to claim 21, characterized in that the current dependency of the fundamental wave inductance L is approximated as follows by multidimensional third-order polynomials:
LAppr. = a0 + a1 · id + a2 · id 2 + a3 · id 3 + a4 · iq + a5 · iq 2 + a6 · iq 3 + a7 · iq · id + a8 · iq 2 · id + a9 · iq 2 · id 2 + a10 · iq 3 · id + a11 ' iq 2 · id 3 wobei id ein Strom in d-Richtung ist, iq ein Strom in q-Richtung ist und a0 bis a11 Approximationsparameter sind. L Appr. = A 0 + a 1 i d + a 2 i d 2 + a 3 i d 3 + a 4 i q + a 5 i q 2 + a 6 i q 3 + a 7 i q i d + a 8 i q 2 i d + a 9 i q 2 i d 2 + a 10 i q 3 i d + a 11 ' i q 2 i d 3 where i d is a current in the d direction, i q is a current in the q direction and a 0 to a 11 are approximation parameters.
23. Verfahren oder permanenterregte Synchronmaschine (1) nach einem der Ansprüche 16 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromabhängigkeit der differenziellen Induktivitäten durch stetig differenzierbare Funktionen LHF,Appr. und lHF,Appr. approximiert wird. 23. The method or permanent magnet synchronous machine (1) according to one of claims 16 to 22, characterized in that the current dependency of the differential inductances by continuously differentiable functions L HF, Appr. and l HF, Appr. is approximated.
24. Verfahren oder permanenterregte Synchronmaschine (1) nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromabhängigkeit der HF-Induktivitäten wie folgt durch Polynome dritter Ordnung approximiert wird: 24. The method or permanent magnet synchronous machine (1) according to claim 23, characterized in that the current dependency of the HF inductances is approximated as follows by third-order polynomials:
Hauptinduktivitäten: LHF,Appr. = b0 + b1 · iq + b2 · iq 2 Koppelinduktivitäten: lHF,Appr. = c0 + c1 · iq + c2 · iq 2 + c3 · iq 3 wobei iq ein Strom in q-Richtung ist und b0 bis b2 und c0 bis c3 Approximationsparameter sind. Main inductances: L HF, Appr. = b 0 + b 1 · i q + b 2 · i q 2 coupling inductances: l HF, Appr. = c 0 + c 1 · i q + c 2 · i q 2 + c 3 · i q 3 where i q is a current in the q-direction and b 0 to b 2 and c 0 to c 3 are approximation parameters.
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