AT397727B - Verfahren und schaltungsanordnung zur sensorlosen drehwinkelerfassung einer dämpferlosen, vorzugsweise permanentmagneterregten, über einen stromrichter gespeisten synchronmaschnine - Google Patents

Description

AT 397 727 B

Die Erfindung betrifft ein verfahren und eine Schaltungsanordnung zur seneorlosen Drehwinkelerfassung einer dämpferlosen, vorzugsweise permanentmagneterregten, Ober einen Stromrichter gespeisten Synchronmaschine durch Meßsignale. Permanenimagneterregte Synchronmaschinen gewinnen durch die Fortschritte auf dem Sektor der Magnetmateriafien. der Leistung»- und Informationseloidronlk zunehmend an s Bedeutung in der Antriebstechnik. Sie zeichnen sich gegenüber Asynchronmaschinen durch eine einfachere regelungstechrtischa Struktur und höheren Wirkungsgrad aufgrund der sehr geringen Rotorveriuste aus- Für die Durchführung der Regelalgorithmen bei dynamisch hochwertigen feld- bzw. polradorientierten Regeikonzepten ergibt sich die Notwendigkeit eines mechanischen Gebers zur Erfassung der Polradposition. Es ist daher das Ziel vieler Forschungsaktivitäten, den mechanischen Geber durch mathematische io Modelle oder durch Ausnützung physikalischer Effekte zu ersetzen.

Es sind verschiedene Verfahren zur Lageerfassung des Polrades einer permanenimagneteiregten Synchronmaschine bekannt.

In der DE-AS1 273 686 wird ein Meßwertgeber zur Erfassung des Pofradwlnkets von Synchronmaschinen beschrieben. is Konkret bezieht sich die Erfindung auf einen Meßwertgeber zur Bildung einer Ausgangsgröße, welche vom Polradwinkel einer Sy nch ronmaschine abhängig ist Es wird ein Polradwinkei-Meßgerät verwendet dessen Ausgangsgröße eine impulsspannung mit konstanter Impufsampitude sowie dem Pobadwinkel proportionaler Impulsdauer ist Der Mittelwert der Ausgangsgröße des Polradwrnkel-Meßgerätes verläuft mit wachsendem Betrag des Pofradwinkels nach einer Dreiecksfunkticn. Die Periode der Dreiecksfunkticn 20 stimmt mit einem Winkelbereich von 360 · des Poiradwinkels überein. Der Meßwertgeber ermöglicht es, die zur Beeinflussung der Erregung einer Synchronmaschine geforderte gebrochen lineare Funktion mit Schweflwert und Amplitudenbegrenzung nachzubilcfon.

Auch diese Erfindung erfordert einen mechanischen Geber sowie analoge ZusatzstromQueiien. I_L dem im Hauptpatent angeführten erfindungsgemäßen Verfahren sind die Meßsignale vom Stromrich-25 Der generierte Spannungssprünge, die einem Rechner zugeführt werden, der aus der WinkelabhängigkBit des Quotienten aus Statorspannungsraumzeiger und zeitlicher Änderung des Stromraumzeigers, im folgenden als komplexe differentielle Induktivität bezeichnet, die Polradlage berechnet, wobei cße komplexe differentielle Induktivität sowohl in ihrem Betrag als auch in ihrem Argument mit dem doppelten Wert des gesuchten Drehwinkels. und zwar näherungsweise sinusförmig, schwankt, und daß dieser Verfahrensechritt so mit geänderter Spannungsraumzelgerrichtung, In der vorzugsweise strangzahlgfefchen Anzahl, wiederhol wird und für jede Meßrichtung die örtliche komplexe differentielle Induktivität ermittelt wird und daraus unter der idealisierten Annahme einer sinusförmigen Schwankung von Betrag und Phase der komplexen differentiellen Induktivität, wobei deren Betrag seine Extremwerte in der Magnetisierungsachse und elektrisch 90 Grad darauf und deren Argument an diesen Stellen ihre Nulidurchgänge und bei Winkeln von elektrisch 25 45 * + k.90 * ihre Extrema aufweist, unter Verwendung der bekannten Methoden der komplexen Rechnung der doppelte Wert des gesuchten Drehwinkels, welcher mit der Magnetachse übereinstimmt, ermittelt wird, und in die so festgestellte Magnetachse ein einziges Mal zum Start der Maschine einen Stromraumzeiger zum Zweck der Änderung der Magnetieterung einprägt und sofort - wie oben geschildert · die komplexe differentielle Induktivität bestimmt und ihren Betrag berechnet sodann einen Stromraumzei-40 ger in die Gegenrichtung zum zuvor eingeprägten Stromraumzeiger einprägt und wiederum den Betrag berechnet, und dann aus der Tatsache, daß die Magnetisierungsrichtung mit dem Minimum der zwei zuvor berechneten Beträge öbereinstimmt, die mit dem gesuchten Drehwinkei übereinstimmende Magnetisierungsrichtung fostiiegt (nach Österr. Patentanmeldung 1483/90).

Wie bereits im Hauptpatent ausgeführt, ist es die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur geberlosen 46 Lageerfassung des Rotors einer permanentmagneterregten Synchronmaschine durch Messung ausschließlich elektrischer Größen zu realisieren und die Nachteile bzw. Ungenauigkeiten der bekannten Verfahren zu vermeiden.

Entsprechend einer Weiterbildung der bereits im Hauptpatient beschriebenen Erfindung werden die bei der Bildung der komplexen Kennwerte auftretenden spannungs-, Strom-, drehzahl· und flußbetragsabhängi-so gen Abweichungen von den theoretisch erwarteten Werten in Real- bzw. imaginärteii durch Korrekturwerte berücksichtigt bzw. eliminiert, wobei die Körrekturwerte tabellarisch abgespeichert oder durch einfache Kbirekforfunfctionen ermittelt werden, oder, bei Überschreitung einer gewesen minimalen Winkelgeschwindigkeit, durch Mitteiwertbildung aus den Real· bzw. bnagtnärteilen über Verzögerungsglieder bestimmt werden. 55 Mit dieser Weiterbildung der Erfindung gemäß dem Hauptpatent Ist der gravierende Vorteil gegeben, daß die Genauigkeit der Flußerfassung wesentlich verbessert wird.

Ein weiteres Merkmal der Erfindung sieht vor, daß die Rotorgeschwindlgkeit durch zwei korrespondierende, mit komplementärer Umrichterschalterstsilung durchgeführte Teilmessungen addiert wird, wodurch 2

Claims (3)

1. AT 397 727 B die Rotorgeschwindigkeit unter Elimination der Umrichterspannung ermittelt wird, indem der StromSnde* rungssummen-Raumzeiger das Produkt aus Siatorfiußverkettungs-Raumzeiger und Drehfeldgeschwindigkeit festlegt, und damit die Rotorgeschwindigkeit aus dem Betrag, und die Rotorposition aus dem Winkel dieses komplexen Zeigers folgt. $ Diese Ausgestaltung erweist sich als wertvoll, weil damit ein EMK-basierandes Verfahren ohne Spannungssensoren realisierbar ist. arte weitere Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die gewonnene Rußlnformar Hon mit einem Spannungsmodell rar Synchronmaschinen, weiches den Ruß aus der Ständergleichung berechnet kombiniert wird und in Drehzahibereißhen, in denen das SpennungemodeH durch störend© 10 Driften und Parameteamachertieiten unbrauchbar wird, fallweise Messungen nach obigen Ansprüchen eingebaut werden, weiche dann korrigierend in die vom Spannurtgsmodell ermittelten Rotorposrtionsschäiz-werte elngreifen. Es hat «ich als vorteilhaft herausgesteift, die Zelt zwischen zwei Meßzykten zu erhöhen, weil dadurch die Schallabstrahlung und die elektrischen Verluste verringert werden. is Die Erfindung wird an Hand eines in der Zeichnung dargesteiften Austührongsbeispieies näher erläutert Wie die Fig. zeigt, wird eine Synchronmaschine 81 Ober drei Sfrommeßrnodute 82 von einem Spannungszwischenkreis-Umrichter 83 gespeist Die istströme von den Strommeßmodulen 82 werden Ober eine stromerfassungseinheit 87 an eine - in ihrem Timing von einer übergeordneten Lageerfassungssfeue-rung 90 gesteuerten - Lageerfassungseinheit 88 weitergeleitet In dieser wird dann eine voriäufige Rotorpo-80 sition entsprechend den erfindungsgemäßen Algorithmen berechnet und einem Korrekturglied 89 mttgeteiit Diese Rotorposrtion wird unter Einbeziehung von momentanen Schätzwerten von Lege, Drehzahl, Drehmoment Flußbetrag und Zwischenkreisspennung, welche dem Korrekturglied 89 über eine Leitung 91 mitgeteilt werden, korrigiert. Die ermittelte, korrigierte Rotortegeninformafion wird einem Spannungsmodell 88 für Synchronmaschinen zugeführt und fallweise äs Adaption der vom Spannungsmodell 88 ermittelten Lage ss eingesetzt. Dieser Adaptionsschritt wird zettmäßig ebenfalls von der übergeordneten Lageertassungssteue· rung 90 koordiniert. Die auf diese Welse ermittelte verbesserte Rotoriage wird in einer leidorientierten Regelung 85 eingesetzt um aus einem von einem überlagerten Regelalgorithmua geforderten Sollmoment, welches der feldorientierten Regelung 86 über eine Leitung 82 mitgeteilt wird, Wechaelrichter-Brückenansteuersignale zu so erzeugen. Während einer Lageberechnung mit Meßsignalen werden die Wechselrichter-Brückenansteuersi-gnaJe von der Lageerfassungssteuerung 90 generiert Der Ausgang der feldorientieten Regelung 65 ist mit einem ersten Eingang einer Umschalteiogik 84 verbunden; ein zweiter Eingang der Umschaltelogik 85 ist mit der Lageerfassungssteuerung 90 verbunden. Ober einen Ausgang der Umschaltelogik 84 werden die BrückenanSteuersignale dem Span nungszwi sehen kreis-Umrichter 83 zugeführt. Da die Summe der der 35 Synchronmaschine zugeführten Ströme Nun sein muß, kann aufgrund der Knotenregel eines der drei Strommeßmoduie 82 eingespart werden. Patentansprüche 1. Verfahren zur sensorlosen Drehwinkeierfassung einer dämpferlosen, vorzugsweise permanentmagneterregten, Ober einen Stromrichter gespeisten Synchronmaschine durch Meßsignale, wobei die Meßsignale vom Stromrichter generierte Spannungssprünge sind, die einem Rechner zugeführt werden, der aus der Winkelabhangigkeit des Quotienten aus Stetorspannungsraumzeiger und zeitlicher Änderung des Sfromraumzeigers, im folgenden als komplexe differentielle Induktivität bezeichnet, die Polradiage 45 berechnet wobei die komplexe differentielle Induktivität sowohl in ihrem Betrag als auch in ihrem Argument mit dem doppelten Wert des gesuchten Drehwinkels, und zwar näherungsweise sinusförmig, schwankt und daß dieser Verfahrensschritt mit geänderter Spannungsraumzeigerrichteng. in der vorzugsweise strangzahlgleichen Anzahl, wiederholt wird und für jede Meßrichtung die örtliche komplexe differentielle Induktivität ermittelt wird und daraus unter der idealisierten Annahme einer sinusförml-50 gen Schwankung von Betrag und Phase der komplexen differentiellen Induktivität wobei deren Betrag seine Extremwerte in der Magnetisierungsachse und elektrisch 90 Grad darauf und deren Argument an diesen Stellen ihre Nulldurchgänge und bei Winkeln von elektrisch 45 * + k.90 * ihre Extrema aufweist, unter Verwendung der bekannten Methoden der komplexen Rechnung der doppelte Wert des gesuchten Drehwinkels, welcher mit der Magnetachse übereinstimmt, ermittelt wird, und in die so ss festgestellte Magnetachse ein einziges Mal zum Start der Maschine einen SbOmraumzeiger zum Zweck der Änderung der Magnetisierung einprägt und sofort - wie oben geschildert * die komplexe differentief-ie Induktivität bestimmt und ihren Befrag berechnet, sodann einen Sfaromraumzeiger in die Gegenrichtung zum zuvor eingeprägten Stromraumzeiger einprägt und wiederum den Betrag berechnet, und 3 AT 387 727 B dann aus der Tatsache, das die Magnetisierungsrichtung mit dem Minimum der zwei zuvor berechneter) Beträge Übereinstimmt, die mit dem gesuchten Drehwinkel übereinstimmende Magnetisierungsrich-tune festliegt (nach Patent 385 487). dadurch gekennzeichnet, daß die bei der Bildung der komplexen Kennwerte auftretenden Spannung»-, ström-, drehzahl- und flußbetragsabhinglgen Abwel- 5 chungen von den theoretisch erwarteten Werten in Real- bzw. tmaginärteä durch Konrekturwerte berücksichtigt bzw. eliminiert weiden, wobei die Korrekturwerte tabellarisch abgespeichert oder durch einfache Korrekturfunktionen ermittelt werden, oder, bei Überschreitung einer gewissen minimalen Winkelgeschwindigkeit, durch Mittelwertbildung aus den Real- bzw. Imaginärteiien Uber Verzögerung» glieder bestimmt weiden. TO
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotorgeschwindigkeit durch zwei korrespondierende, mit komplementärer Umrichterschaffsrstellurg durchgeführte Teiimessungen addiert Wird, wodurch die Rotorgeschwindigkert unter Elimination der Umrichterspannung ermittelt wird, indem der Stromänderungssummen-Raumzeiger das Produkt aus StatoifluBverkettungs-Raumzelger iS und Drehfeldgeschwindigkeit festlegt, und damit die Rotorgeschwindigkeit aus dem Betrag, und die Rotorposition aus dem Winkel dieses komplexen Zeigers folgt.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, das die gewonnene Fluflinformation mit einem Spannungsmodeli (86) für Synchronmaschinen, welches den Fluß aus der Ständergleichung 20 berechnet kombiniert wird und in Drehzahibereichen, in denen das Spannungsmodeli (86) durch störende Driften und Parameterunsicherheiten unbrauchbar wird, fallweise Messungen nach obigen Ansprüchen eingebaut werden, welche dann korrigierend in die vom Spannungsmodeli (86) ermittelten Rotorpositionsschätzwerte eingreifen. 26 Hiezu 1 Blatt Zeichnungen 30 35 40 46 50 4 55