DE102018103719A9

DE102018103719A9 - Verfahren zur Regelung eines Drehstrommotors mit vektororientierter Regelung

Info

Publication number: DE102018103719A9
Application number: DE102018103719.8A
Authority: DE
Inventors: Andreas Kromm
Original assignee: Linde Material Handling GmbH
Current assignee: Linde Material Handling GmbH
Priority date: 2018-02-20
Filing date: 2018-02-20
Publication date: 2019-10-17
Also published as: DE102018103719A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung eines einen Stator und einen Rotor aufweisenden elektrischen Drehstrommotors (10) mittels vektororientierter Regelung mit einem rückgekoppelten Regelkreis, wobei zumindest ein Drehmoment-Sollwert (2) für den Drehstrommotor (10) vorgegeben wird, der mit einem Drehmoment-Istwert (14) verglichen wird, welcher als Kreuzprodukt aus Statorstrom und magnetischem Fluss des Drehstrommotors (10) berechnet wird, wobei der magnetische Fluss durch Flussschätzung (15) mittels mathematischer Methoden ermittelt wird. Es wird vorgeschlagen, dass die Flussschätzung (15) einen Algorithmus umfasst, der auf einer Leistungsbilanz zwischen Wirk- und Blindleistung (17, 18) des Drehstrommotors (10) basiert.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung eines elektrischen Drehstrommotors, der einen Stator und einen Rotor aufweist, mittels vektororientierter Regelung mit einem rückgekoppelten Regelkreis, wobei zumindest ein Drehmoment-Sollwert für den Drehstrommotor vorgegeben wird, der mit einem Drehmoment-Istwert verglichen wird, welcher als Kreuzprodukt aus Statorstrom und magnetischem Fluss des Drehstrommotors berechnet wird, wobei der magnetische Fluss durch Flussschätzung mittels mathematischer Methoden ermittelt wird.
Elektromotoren, insbesondere elektrische Drehstrommotoren, werden beispielsweise in elektrischen Antriebssystemen von Fahrzeugen, insbesondere batterieelektrisch angetriebenen Flurförderzeugen wie Elektro-Gabelstaplern, Schlepp- oder Plattform-Fahrzeugen und Kommissioniergeräten, verwendet. Dabei beruht die Drehbewegung des Elektromotors auf Anziehungs- und Abstoßungskräften von Magnetfeldern. Üblicherweise besteht der Elektromotor aus einem feststehenden Außenteil und einem sich darin drehenden Innenteil. Der feststehende, magnetisch wirkende Außenteil wird Stator genannt. Der sich drehende, magnetisch wirkende Innenteil dreht die Motorachse. Es gibt auch Elektromotoren, bei denen der Stator innen und der Rotor außen liegt. Solche Motoren werden Außenläufer genannt. Drehstrommotoren werden mit Drehstrom betrieben, der aus drei um 120° phasenverschobenen Wechselspannungen besteht und so ein Drehfeld erzeugt. Der Rotor dreht sich in diesem Drehfeld.
Zur Beschreibung der magnetischen Felder eines Elektromotors wird auch der Begriff des magnetischen Flusses verwendet. Der magnetische Fluss ist analog zum elektrischen Strom die Folge einer magnetischen Spannung und fließt durch einen magnetischen Widerstand. Häufig benutzt man auch den Begriff „magnetischer Zustand“, wenn es sich um die Ermittlung des magnetischen Flusses einer elektrischen Maschine handelt. Ausführliche Informationen hierzu finden sich in folgender Literatur: „Berechnung von Raumzeigergrößen und des Luftspaltmoments von Asynchronmaschinen mit Genesis HighSpeed und Perception-Software, Kapitel 3. 1, HBM, eDrive TechNote 2013 10“.
Zur Drehzahl- und Drehmomentregelung von Drehstrommotoren wird häufig die so genannte vektororientierte Regelung (oder Vektorregelung) verwendet. Darunter versteht man ein Regelungskonzept, bei dem sinusförmige - oder als weitgehend sinusförmig angenommene - Wechselgrößen (beispielsweise Wechselspannungen und Wechselströme) nicht direkt in ihrem zeitlichen Momentanwert, sondern in einem um den Phasenwinkel innerhalb der Periode bereinigten Momentanwert geregelt werden. Zu diesem Zweck werden die erfassten Wechselgrößen jeweils in ein mit der Frequenz der Wechselgrößen rotierendes Koordinatensystem übertragen. Innerhalb des rotierenden Koordinatensystems ergeben sich dann aus den Wechselgrößen Gleichgrößen, auf die alle üblichen Verfahren der Regelungstechnik angewandt werden können. Üblicherweise wird für das rotierende Koordinatensystem eines mit zwei senkrecht aufeinander stehenden Achsen d und q gewählt. Dies hat den Vorteil, dass es mit der Raumzeigerdarstellung von Wechselspannungen und -strömen und ihrem Bezug zueinander identisch ist, wodurch sich die entsprechenden Modelle der elektrischen Maschinen direkt einsetzen lassen.
Durch diese Vektorregelung, die mit Bezug auf das Drehfeld einer elektrischen Maschine auch feldorientierte Regelung genannt wird, erreicht ein Drehstrommotor eine erweiterte Drehzahl- und Positioniergenauigkeit.
Die Grundlagen der Vektorregelung werden ausführlich in „Elektrische Antriebe, Regelung von Antriebssystemen, ISBN 978-3-540-89612-8 Springer Verlag, Kapitel 13, 15, 16, Univ. Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing h.c. Dierk Schröder“ beschrieben.
Um eine maximale Präzision der vektororientierten Drehzahl- und Drehmomentregelung in den Antriebssystemen zu erreichen, werden in der Praxis überwiegend Antriebssysteme mit rückgekoppelten Regelkreisen realisiert.
Der Regelkreis mit Vorgabe eines gewünschten Drehmomentes der elektrischen Maschine gehört zum Kernstück eines modernen Antriebssystems. Da das Drehmoment eines Elektromotors das Kreuzprodukt aus dem Statorstrom und dem magnetischen Fluss ist, sollten die beiden letzten Größen (Statorstrom, magnetischer Fluss) hochaufgelöst und präzise zur Verfügung gestellt werden.
Der aktuelle Istwert des Statorstroms ist technisch einfach messbar, wenn z.B. ein Shunt-basierter Stromsensor direkt in den Stromkreis des Elektromotors integriert wird. Für die präzise Ermittlung des magnetischen Flusses werden bei elektrischen Antriebssystemen meistens zwei konventionelle Lösungen angewendet:
Die Magnetfelder können einerseits direkt mittels der Hall-Technologie gemessen werden, was allerdings eine aufwendige und kostenintensive Messanordnung erfordert. Andererseits kann der magnetische Fluss des Elektromotors mit einem Flussschätzer ermittelt werden. Dabei wird üblicherweise in einer mikroprozessorbasierten Steuereinheit mittels mathematischer Methoden ein Modell des Elektromotors nachgebildet und der magnetische Fluss daraus berechnet. Der Flussschätzer wird manchmal auch als Flussbeobachter oder Flussidentifikator bezeichnet. Diese Begriffe gehören zu einer gleichen Technologie, die die Detektion/Ermittlung/ Nachbildung des magnetischen Flusses einer elektrischen Maschine betrifft.
Da die Ermittlung des magnetischen Flusses mittels eines Flussschätzers sehr viel kostengünstiger ist als die direkte Messung mittels aufwendiger Messeinrichtungen, werden auf dem Weg zum Massenprodukt Antriebe mit einem Flussschätzer bevorzugt. Diese Tendenz wird in der modernen Antriebstechnik zunehmen, wobei die Präzision des Flussschätzers für die Qualität der Drehmoment- und Drehzahlregelung bzw. das feinfühlige Handling des Fahrzeugs von entscheidender Bedeutung ist.
Von den derzeit auf dem Markt verfügbaren Flussschätzern werden modellbasierte Flussschätzer gegenüber anderen priorisiert. Einige aktuelle Algorithmen der Flussschätzer sind z.B. in der DE 10 2009 025 390 A1 und in „EAA-Elektrische Antriebstechnik und Aktorik. Universität München, Prof. Dr.-Ing. Dieter Gerling, Seiten 81-82“ dargestellt.
Ein Verfahren für das Steuern eines elektrischen Drehstrommotors mit einem herkömmlichen modellbasierten Flussschätzer ist in der DE 10 2012 223 441 A1 beschrieben. Dabei gewährleistet ein Hochgeschwindigkeits-Sensorloses-Fluss-Beobachtungsglied mithilfe eines Flussmodell-Moduls und eines Fluss-Beobachtungsglied-Moduls eine Schätzung des Flusses einer elektrischen Maschine im rotorfesten d-q-Koordinatensystem. Der ermittelte Fluss dient als Basis für weitere Berechnungen wie z.B. der geschätzten d-q-Achse-BEMF(Rück-Elektromotorische-Kraft)-Werte und des Rotorfluss-Winkelpositionsfehlers zwecks optimaler Drehmoment- und überlagerter Drehzahlregelung.
Die bekannten modellbasierten Flussschätzer weisen gravierende Nachteile auf. Sie arbeiten mit einem komplexen mathematischen Algorithmus, der Iterationsmethoden erfordert. Die Iterationsmethoden implizieren eine nummerische Integration der geschätzten Größen, die störungsanfällig und präzisionsmindernd ist. Außerdem ist eine zeitintensive Inbetriebnahme und Abstimmung des Antriebssystems notwendig, weil die Parametrierung einer Rekonstruktionsmatrix (Verstärkungsfaktoren) für die präzise Flussschätzung aufwendig ist.
Dabei leidet die Präzision der Identifikation des Flusses unter folgenden Faktoren:
Da der Iterationsschritt nicht unendlich kurz ist, führt dies zur Ungenauigkeit der Berechnung eines Integrals. Außerdem verursacht die limitierte Anzahl der Iterationen in den Real-Time-Systemen eine erhebliche Ungenauigkeit des nummerischen Integrationsverfahrens. Darüber hinaus beinhaltet der modellbasierte Schätzwert des Flusses einen Basis- und Korrekturterm. Ihre Quotienten sind wegen der Nichtlinearität des Motormodells (Sättigung des Motorjochs) im Falle der limitierten Rechenzeit nicht konstant. Dies verringert signifikant die Präzision der Identifikation.
Im Übrigen erfordert ein komplexer Modellansatz, wie er im Flussschätzer nach der DE 10 2012 223 441 A1 vorgesehen ist, in der Vorentwicklungsphase einen Nachweis, ob das implementierte Verfahren stabil und robust ist. Es ist beispielsweise bekannt, dass die temperaturabhängigen Parameter des Elektromotors sowie Sättigungseffekte im Eisenjoch sehr oft zur Instabilität des Antriebs führen. In der Praxis werden alle Identifikationsalgorithmen mit einem Simulationstool simuliert. Die Simulationsprozedur und die dazugehörige Auswertung der Ergebnisse sind aber mühsam und zeitintensiv.
Wenn die Winkelgeschwindigkeit der Motorwelle gering ist, wird die Qualität der Flussschätzung wesentlich schlechter. Um diesen Nachteil zu überwinden, wird nach dem Stand der Technik eine fixe minimale Begrenzung der elektromotorischen Kraft (EMK) anstatt der Abschätzung der elektromotorischen Kraft (EMK) implementiert, die zur akzeptablen Präzision der Flussschätzung führen sollte. In der Praxis ist die Festlegung der Umschaltschwelle zwischen fixer EMK- Begrenzung und EMK-Abschätzung sehr problematisch, weil eine solche Schwellendefinition nicht nur von den Parametern des Antriebsstranges, sondern auch von der Toleranz der Hardware, Software und Sensorik abhängig ist. Es ist offenbar, dass die Realisierung der herkömmlichen Lösung mit einer gewünschten Toleranz der Flussabschätzung besonders mühsam und zeitintensiv ist.
Daraus ergeben sich erhebliche Folgeprobleme der herkömmlichen Lösung:
Die ungenügende Präzision der Flussschätzung wirkt sich negativ auf das feinfühlige Handling eines Fahrzeugs aus, das von einem Elektromotor als Fahrantrieb angetrieben ist. Außerdem führt sie zur Verschlechterung des Wirkungsgrads von Antriebssystemen. Es treten ferner zusätzliche mechanische Vibrationen des Elektromotors bzw. des Fahrzeugs beim Anfahren und Umsteuern auf. Diese Vibrationen wirken sich negativ auf die Lebensdauer des Fahrzeugs aus und führen zu Unzufriedenheit beim Betreiber des Fahrzeugs.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art so auszugestalten, dass eine präzise Ermittlung des magnetischen Flusses ermöglicht wird und die genannten Nachteile des Standes der Technik vermieden werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Flussschätzung einen Algorithmus umfasst, der auf einer Leistungsbilanz zwischen Wirk- und Blindleistung des Drehstrommotors basiert.
Die vorgeschlagene Lösung gewährleistet eine präzise Identifikation des magnetischen Zustands von Drehstrommotoren im rotorfesten Koordinatensystem des Drehstrommotors ohne Iterationsverfahren und nummerische Integration. Dabei werden ausschließlich algebraische Gleichungen angewendet, wodurch sich Ableitungen der Mess- und Rekonstruktionsgrößen vermeiden lassen.
Der Kernpunkt der Erfindung besteht darin, dass für die präzise Identifikation des magnetischen Zustands des Drehstrommotors eine neue Berechnungsmethode für den Flussschätzer vorgeschlagen wird, dessen Algorithmus auf der Leistungsbilanz zwischen der Wirk- und Blindleistung des Drehstrommotors basiert. Dabei beinhalten die Wirk- und Blindleistung Information über die ohmsche, induktive Impedanz des Drehstrommotors, aus der der Vektor des magnetischen Flusses ermittelt werden kann. Unter der Blindleistung versteht man die Leistung zum Aufbau des magnetischen Feldes, die beim Abbau wieder zurückgegeben wird. Ein Elektromotor baut in den Spulen dauernd Magnetfelder auf und ab. Der immer wiederkehrende Feldaufbau führt zu Blindleistung. Dagegen bezeichnet man mit Wirkleistung die Leistung, die der Elektromotor konsumiert und in mechanische Arbeit umsetzt. Da die Wirk- und Blindleistung skalare Größen sind, können sie mit Hilfe von algebraischen Gleichungen aus den Motorströmen und Motorspannungen errechnet werden. Dabei ist die Berechnung von skalaren Größen eine übliche Prozedur in Antriebssystemen mit vektororientierter Regelung, weil die Regelung grundsätzlich in Vektor-Matrizen-Form erfolgt. Unter der Bezeichnung „Vektor“ versteht sich ein zweidimensionaler Vektor, der mathematisch durch die d- und q- Komponente beschrieben wird.
Zweckmäßigerweise werden die Wirk- und Blindleistung des Drehstrommotors aus Statorstrom und Statorspannung des Drehstrommotors berechnet. Beide Größen können auf einfache Weise direkt am Drehstrommotor gemessen werden. Die Statorspannung kann z.B. zwischen Wechselrichter und Drehstrommotor abgegriffen werden. Zur Messung des Statorstroms kann eine einfache Messeinrichtung in den Statorstromkreis des Drehstrommotors integriert werden.
Die Berechnung der Wirk- und Blindleistung des Drehstrommotors umfasst bevorzugt eine Park-Transformation des gemessenen Statorstroms und der gemessenen Statorspannung des Drehstrommotors in einem rotorfesten Koordinatensystem. Unter einer Park-Transformation oder auch d/q-Transformation versteht man eine Transformation, bei der dreiphasige Größen, insbesondere einer Drehstrommaschine, mit den Achsen U, V, W in ein zweiachsiges Koordinatensystem mit den Achsen d und q überführt werden. Dabei rotiert das d/q-Koordinatensystem im stationären Fall mit dem Rotor und das Wertepaar d/q stellt eine zeitlich konstante Größe dar. Die drei Koordinaten U, V und W sind jeweils um einen Winkel von 120° versetzt. Sie entsprechen den drei Spulen des ruhenden Stators des Drehstrommotors.
Der Wert d bildet die magnetische Flussdichte der magnetischen Erregung im Rotor ab, und q ist ein Ausdruck für das vom Rotor erzeugte Drehmoment.
Zur Flussschätzung wird vorzugsweise ein vorgegebener Wert eines ohmschen Widerstandes der Statorwicklung benutzt. Eine temperaturabhängige Korrektur des Widerstandes kann durch Messung der Temperatur der Statorwicklung erfolgen.
Hierfür kann ein im Bereich der Statorwicklung vorgesehener Temperatursensor genutzt werden.
Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Flussschätzung einen aktuellen Vektor des magnetischen Flusses liefert, der gemäß der folgenden Formel (Algorithmus) berechnet wird: $\begin{array}{l} \bar{Ψ} = [\begin{matrix} Ψ_{d} \\ Ψ_{q} \end{matrix}] = {({(I^{T} I)}^{1 / 2} \cdot ω_{e l e k})}^{- 1} \cdot [\begin{matrix} Q \\ P - R s (I^{T} I) \end{matrix}] = \\ {({(I^{T} I)}^{1 / 2} \cdot ω_{e l e k})}^{- 1} \cdot [\begin{matrix} U^{T} D I \\ U^{T} I - R s (I^{T} I) \end{matrix}], \end{array}$
wobei

Ψ_d, Ψ_q = d/q-Komponente des Flussvektors Ψ,
P, Q = Wirk- und Blindleistung des Drehstrommotors,
U, I =Spannungs- und Stromvektor des Drehstrommotors,
Rs = Widerstand der Statorwicklung,
ω_elek = elektrische Kreisfrequenz des rotorfesten Koordinatensystems und
D = klassische Drehmatrix, die das Vektorprodukt/Kreuzprodukt aus zwei Vektoren bilden lässt.

Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung sieht vor, dass die Flussschätzung einen aktuellen Betrag des magnetischen Flusses liefert, der gemäß der folgenden Formel berechnet wird: $| Ψ | = {(Ψ^{T} Ψ)}^{\frac{1}{2}},$
wobei

|Ψ| = Betrag des Flussvektors,
Ψ^T= Transponierte des Flussvektors und
Ψ = Flussvektor.

Aus dem berechneten Vektor des magnetischen Flusses und dem Vektor des Statorstroms wird vorteilhafterweise der Drehmoment-Istwert als Kreuzprodukt berechnet. Der Drehmoment-Istwert wird mit dem vorgegebenen Drehmoment-Sollwert verglichen, und die Regeldifferenz wird zur Drehmomentregelung verwendet.
Der berechnete Betrag des magnetischen Flusses wird vorzugsweise mit einem vorgegebenen Fluss-Sollwert verglichen, und die Regeldifferenz wird zur Flussregelung verwendet.
Die Erfindung kann in den verschiedensten elektrischen Antrieben mit Drehstrommotoren realisiert werden. Mit Vorteil kann die erfindungsgemäße Flussschätzung zur Regelung des Drehstrommotors eines batteriebetriebenen Flurförderzeugs eingesetzt werden, insbesondere als Fahrantrieb des Fahrzeugs. Ganz besonders vorteilhaft ist ein Einsatz der erfindungsgemäßen Flussschätzung zur Regelung des Drehstrommotors in einem elektrischen Fahrantriebsmotor eines selbstfahrenden batteriebetriebenen Fahrzeugs, insbesondere eines fahrerlosen Transportfahrzeugs, z.B. einem autonomen Kommisionierfahrzeug. Bei solchen Fahrzeugen kommt es besonders auf einen feinfühligen, präzisen Antrieb an, um beispielsweise in Lagerhallen eine zentimetergenaue Lokalisierung bzw. Positionierung des Fahrzeugs zu ermöglichen. Außerdem eignet sich die Erfindung deshalb besonders gut für mobile und autarke elektrische Antriebssysteme, weil deren Energieressourcen durch eine mitgeführte Traktionsbatterie limitiert sind, so dass es auf höchste Energieeffizienz des Antriebs ankommt.
Die Erfindung bietet eine ganze Reihe von Vorteilen:
Die vorgeschlagene Lösung gewährleistet eine präzise Identifikation bzw. Schätzung des magnetischen Zustands des Drehstrommotors und damit eine präzise Drehmoment- und Drehzahlregelung im Antriebssystem. Durch die präzise Regelung erfolgt ein feinfühliges Fahrzeug-Handling beim Anfahren, Rangieren und Umsteuern mit einem (gegenüber der herkömmlichen Lösung) höheren Wirkungsgrad des Antriebs.
Es ist außerdem vorteilhaft, dass die Präzision des ermittelten Flusses gemäß dem Leistungsbilanz-Kriterium invariant ist gegenüber

• magnetisch schwach ausgenutzter elektrischer Maschine (Feldschwächung ist bei höheren Drehzahlen des Motors und/oder niedrigem Ladezustand der Batterie erforderlich),
• magnetisch gesättigter elektrischer Maschine (Sättigungseffekt des Eisenjochs),
• system- und kundenspezifischer Parametrierung des Antriebs
• systembedingten Abtastzeiten der mikroprozessorbasierten Recheneinheit, weil die Leistungsbilanz ausschließlich die Augenblickswerte der Ströme und Spannungen benötigt.

Die weiteren Vorteile sind:

• Die Präzision des Flussschätzers ist invariant gegenüber dem Ladezustand der Traktionsbatterie.
• Die Präzision des Flussschätzers bleibt auch bei kleinen Winkelgeschwindigkeiten der Motorwelle auf einem hohen Niveau, weil der Leistungsbilanz-Algorithmus im rotorfesten Koordinatensystem eine Rotorlage anstatt der Winkelgeschwindigkeit erfordert.
• Die erfindungsgemäße Lösung braucht keine zusätzlichen Hardware-Ressourcen und kann ohne Aufpreis in kostenoptimierten Antrieben implementiert werden.
• Die Erfindung bietet eine einfache Realisierung des Flussschätzers im mathematischen Sinne, die keine komplexen Methoden der nummerischen Mathematik erfordert.
• Es sind keine zeitintensiven Simulationen in der Vorentwicklungsphase des Antriebs sowie keine mühsame Auswertung der Ergebnisse notwendig.
• Es wird eine zeitoptimierte Inbetriebnahme, Abstimmung und Instandhaltung des Fahrzeug-Antriebsstranges ermöglicht.
• Mit der Erfindung wird eine längere Lebensdauer des elektrischen Antriebs und des Fahrzeugs wegen der Verhinderung von mechanischen Vibrationen erreicht.
• Schließlich erhöht sich insgesamt die Zufriedenheit der Kunden und Betreiber der mit den erfindungsgemäßen Antriebssystemen ausgestatteten Fahrzeuge.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden anhand des in der schematischen Figur dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Figur zeigt ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Regelung des Drehstrommotors.
In der Figur ist ein Blockschaltbild eines drehmomentgeregelten Antriebs mit dem erfindungsgemäßen Flussschätzer im rotorfesten Koordinatensystem dargestellt. In der Figur sind folgende Verfahrensschritte bzw. Verfahrensblöcke und Apparate mit den folgenden Bezugsziffern bezeichnet:

(1) Vorgabe des Sollwerts des Motorflusses (magnetischer Fluss)
(2) Vorgabe des Sollwerts des Drehmomentes
(3) Flussregler (hier: Zweipunktregler mit Hysterese)
(4) Drehmomentregler (hier: Zwei- oder Dreipunktregler mit Hysterese)
(5) Auswahltabelle der Statorspannungsraumzeiger des Wechselrichters
(6) DTC (Direct-Torque-Control)-Treiber (bildet die Schaltsignale der Leistungshalbleiter des Wechselrichters während der DTC-Regelung)
(7) Wechselrichter (Leistungshalbleiter)
(8) Traktionsbatterie
(9) Messeinrichtung für die Strommessung des Drehstrommotors
(10) Drehstrommotor
(11) Park-Transformation der Ströme des Drehstrommotors
(12) Park-Transformation der Statorspannungen Drehstrommotors
(13) Temperatursensor der Statorwicklungen des Drehstrommotors
(14) Block der Ermittlung des Drehmoment-Istwerts
(15) Flussschätzer des Drehstrommotors
(16) Recheneinheit des Flussschätzers
(17) Block der Ermittlung der Wirkleistung
(18) Block der Ermittlung der Blindleistung
(19) Vorgabe des Wicklungswiderstandes (Rs) des Drehstrommotors mit einem Korrektureingang
(20) Sensor zur Erfassung der Rotorlage des Drehstrommotors

Im Folgenden wird die Funktionsweise der Figur erläutert:
Die gewünschten Sollwerte des magnetischen Flusses 1 und des Drehmomentes 2 des Drehstrommotors 10 werden klassisch vorgegeben. Die Sollwerte werden mit den rückgekoppelten Istwerten, die mit den Zeichen (-) an den Vergleichsblöcken dargestellt sind, verglichen, um die Regelabweichung des magnetischen Flusses (Eingang des Blocks 3) und des Drehmomentes (Eingang des Blocks 4) zu bilden. Der Flussregler 3 und der Drehmomentregler 4 sollen die Regelabweichung ausregeln. Da in der vorgeschlagenen Lösung eine vektororientierte Regelung nach dem so genannten „Direct Torque Control“-Prinzip realisiert wird, werden die Regler 3, 4 als unstetige Regler (Zweipunkt- oder Dreipunkregler mit Hysterese) ausgeführt. Die Ausgänge der Regler 3, 4 bilden eine Kombination der Ansteuerungssignale, die einen optimalen Spannungsraumzeiger des Wechselrichters 7 bzw. eine optimale Statorspannung des Drehstrommotors 10 gewährleisten sollen. Einen optimalen Spannungsraumzeiger bestimmt die Auswahltabelle 5 durch die Definition eines Sektors im Zeigerraum, der von der Lage der Motorwelle (Sensor) 20 abhängig ist. Der DTC(Direct-Torque-Control)-Treiber 6 wandelt den gewünschten Spannungsraumzeiger der Auswahltabelle 5 in die Schaltsignale der Leistungshalbleiter des Wechselrichters 7 um. Der Wechselrichter 7 wird klassisch von einer Traktionsbatterie 8 versorgt. Im Statorkreis des Motors ist eine Messeinrichtung für die Strommessung 9 integriert.
Der Kernpunkt der Erfindung besteht darin, dass für die präzise Identifikation des magnetischen Zustands des Drehstrommotors ein neues Verfahren für den Flussschätzer 15 vorgeschlagen wird, dessen Algorithmus auf der Leistungsbilanz zwischen der Wirk- und Blindleistung des Drehstrommotors basiert.
In der vorgeschlagenen Lösung wird die Wirkleistung P im Block 17 und die Blindleistung Q im Block 18 errechnet. Die Ausgänge der Blöcke 17 und 18 sind mit den Eingängen E2 und E3 des Blocks 16 (Recheneinheit) verbunden. Um die Wirk- und Blindleistung im rotorfesten Koordinatensystem zu berechnen, sind die Blöcke 11 und 12 (Park-Transformationen) erforderlich. Der Block 11 ist für die Park-Transformation des Statorstromes und der Block 12 für die Park-Transformation der Statorspannung zuständig.
Für die präzise Berechnung des magnetischen Flusses in der Recheneinheit 16 des Flussschätzers 15 ist die Information über die Statorströme und den ohmschen Widerstand der Statorwicklung erforderlich. Durch den Eingang E1 erhält die Recheneinheit 16 die aktuellen Ströme des Drehstrommotors im rotorfesten Koordinatensystem (Ausgang des Blocks 11). Die Vorgabe des ohmschen Widerstands (Rs) der Statorwicklung ist mit dem Block 19 realisiert, dessen Ausgang mit dem Eingang E4 der Recheneinheit 16 verbunden ist. Eine temperaturabhängige Korrektur des Widerstandes (Eingang des Blocks 19) erfolgt auf Basis der Messergebnisse des Temperatursensors 13.
Die mathematische Beschreibung des Algorithmus des Flussschätzers, der im Block 15 realisiert wird, ist in Matrix-Vektorform unten dargestellt: $\begin{array}{l} \bar{Ψ} = [\begin{matrix} Ψ_{d} \\ Ψ_{q} \end{matrix}] = {({(I^{T} I)}^{1 / 2} \cdot ω_{e l e k})}^{- 1} \cdot [\begin{matrix} Q \\ P - R s (I^{T} I) \end{matrix}] = \\ {({(I^{T} I)}^{1 / 2} \cdot ω_{e l e k})}^{- 1} \cdot [\begin{matrix} U^{T} D I \\ U^{T} I - R s (I^{T} I) \end{matrix}] \end{array}$
und $| Ψ | = {(Ψ^{T} Ψ)}^{\frac{1}{2}},$
wobei

Ψ_d, Ψ_q = d/q-Komponente des Flussvektors Ψ,
|Ψ| = Betrag des Flussvektors,
Ψ^T= Transponierte des Flussvektors,
Ψ = Flussvektor,
P, Q = Wirk- und Blindleistung des Drehstrommotors,
U, I = Spannungs- und Stromvektor des Drehstrommotors,
Rs = Widerstand der Statorwicklung,
ω_elek = elektrische Kreisfrequenz des rotorfesten Koordinatensystems und
D = klassische Drehmatrix, die das Vektorprodukt/Kreuzprodukt aus zwei Vektoren bilden lässt.

Der vorgeschlagene Flussschätzer 15 liefert einen aktuellen Betrag des magnetischen Flusses (Ausgang A1 des Blocks 16), der gemäß der Formel 2 errechnet wird. Der Ausgang A2 des Blocks 16 liefert einen Vektor des magnetischen Flusses, der durch die d- und q-Komponenten dargestellt und gemäß der Formel 1 errechnet wird. Der aktuelle/ermittelte Betrag des magnetischen Flusses (Fluss-Istwert) gewährleistet eine Rückkopplung, die mit einem vorgegebenen Fluss-Sollwert (Block 1) eine klassische Regeldifferenz am Eingang des Flussreglers 3 bilden lässt. Der zweidimensionale Flussvektor am Ausgang A2 des Blocks 16 und der zweidimensionale Stromvektor am Ausgang des Blocks 11 lassen durch das Kreuzprodukt im Block 14 einen aktuellen Drehmoment-Istwert für die Rückkopplung am Drehmomentregler 4 errechnen.
Die Regelung des Antriebssystems mit dem vorgeschlagenen Flussschätzer 15 bleibt auf der Ebene der klassischen rückgekoppelten Regelstrukturen. Die Verständlichkeit der Antriebsstruktur spielt eine große Rolle bei der Massenproduktion, weil das Fachpersonal, das die Inbetriebnahmen und Wartungen der Antriebe durchführt, keine zusätzlichen Schulungen braucht.
Erläuternde Bemerkungen zur Realisierung der Blöcke 5, 6, 7, 13, 15 und 20:

• Die Auswahltabelle des Statorspannungsraumzeigers (Block 5) kann gemäß der Auswahltabelle aufgebaut werden, die in „EAA-Elektrische Antriebstechnik und Aktorik, Universität München, Prof. Dr.-Ing. Dieter Gerling, Seiten 81–82“ beschrieben ist.
• Der DTC-Treiber (Block 6) bildet die Grundspannungsraumzeiger gemäß der Tabelle, die im Kapitel „Grundspannungsraumzeiger“ in „https://de.wikipedia.org/wiki/Raumzeigermodulation“ dargestellt ist.
• Der Umrichter (Block 7) beinhaltet eine klassische transistorbasierte B6–Brückenschaltung, die z.B. in „http://andus.de/produkte/power/b6–brueckenschaltungen.php“ dargestellt ist.
• Die Temperaturmessung im Block 13 kann mit einem Temperatursensor realisiert werden.
• Der Flussschätzer (Block 15) kann auf Basis eines Infineon-Mikroprozessors (z.B. Typ XC2287M) realisiert werden.
• Die Erfassung der Rotorlage 20 des Drehstrommotors kann z.B. auf Basis eines Resolvers realisiert werden, wie er in „Basler, Stefan (2016): Encoder und Motor-Feedback-Systeme, Winkellage- und Drehzahlerfassung in der industriellen Automation, Wiesbaden, Springer Vieweg“ beschrieben ist.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102009025390 A1 [0010]
DE 102012223441 A1 [0011, 0014]

Claims

Verfahren zur Regelung eines einen Stator und einen Rotor aufweisenden elektrischen Drehstrommotors mittels vektororientierter Regelung mit einem rückgekoppelten Regelkreis, wobei zumindest ein Drehmoment-Sollwert für den Drehstrommotor vorgegeben wird, der mit einem Drehmoment-Istwert verglichen wird, welcher als Kreuzprodukt aus Statorstrom und magnetischem Fluss des Drehstrommotors berechnet wird, wobei der magnetische Fluss durch Flussschätzung mittels mathematischer Methoden ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Flussschätzung (15) einen Algorithmus umfasst, der auf einer Leistungsbilanz zwischen Wirk- und Blindleistung (17, 18) des Drehstrommotors (10) basiert.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wirk- und Blindleistung (17, 18) des Drehstrommotors (10) aus Statorstrom und Statorspannung des Drehstrommotors (10) berechnet werden.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnung der Wirk- und Blindleistung (17, 18) des Drehstrommotors (10) eine Park-Transformation (11, 12) des gemessenen Statorstroms und der gemessenen Statorspannung des Drehstrommotors (10) in einem rotorfesten Koordinatensystem umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Flussschätzung (15) ein vorgegebener Wert eines ohmschen Widerstands (19) der Statorwicklung benutzt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Wert des ohmschen Widerstands (19) der Statorwicklung durch eine Messung (13) der Temperatur der Statorwicklung korrigiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Flussschätzung (15) einen aktuellen Vektor des magnetischen Flusses liefert, der gemäß der folgenden Formel berechnet wird: $\begin{array}{l} \bar{Ψ} = [\begin{matrix} Ψ_{d} \\ Ψ_{q} \end{matrix}] = {({(I^{T} I)}^{1 / 2} \cdot ω_{e l e k})}^{- 1} \cdot [\begin{matrix} Q \\ P - R s (I^{T} I) \end{matrix}] = \\ {({(I^{T} I)}^{1 / 2} \cdot ω_{e l e k})}^{- 1} \cdot [\begin{matrix} U^{T} D I \\ U^{T} I - R s (I^{T} I) \end{matrix}], \end{array}$
wobei Ψ_d, Ψ_q = d/q-Komponente des Flussvektors Ψ, P, Q = Wirk- und Blindleistung des Drehstrommotors (10), U, I =Spannungs- und Stromvektor des Drehstrommotors (10), Rs = Widerstand (19) der Statorwicklung, ω_elek = elektrische Kreisfrequenz des rotorfesten Koordinatensystems und D = klassische Drehmatrix, die das Vektorprodukt/Kreuzprodukt aus zwei Vektoren bilden lässt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Flussschätzung (15) einen aktuellen Betrag des magnetischen Flusses liefert, der gemäß der folgenden Formel berechnet wird: $| Ψ | = {(Ψ^{T} Ψ)}^{\frac{1}{2}},$
wobei |Ψ| = Betrag des Flussvektors, Ψ^T= Transponierte des Flussvektors und Ψ = Flussvektor.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem berechneten Vektor des magnetischen Flusses und dem Vektor des Statorstroms der Drehmoment-Istwert (14) als Kreuzprodukt berechnet wird, der mit dem vorgegebenen Drehmoment-Sollwert (2) verglichen wird, und die Regeldifferenz zur Drehmomentregelung verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der berechnete Betrag des magnetischen Flusses mit einem vorgegebenen Fluss-Sollwert (1) verglichen wird, und die Regeldifferenz zur Flussregelung verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Flussschätzung (15) zur Regelung des Drehstrommotors (10) in einem batteriebetrieben Flurförderzeug eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Flussschätzung (15) zur Regelung des Drehstrommotors (10) in einem batteriebetrieben selbstfahrenden Fahrzeug, insbesondere einem fahrerlosen Transportfahrzeug, eingesetzt wird.