DE10297429T5

DE10297429T5 - Rotorwinkel-Abschätzeinrichtung für einen Permanentmagnet-Synchronmotorantrieb

Info

Publication number: DE10297429T5
Application number: DE10297429T
Authority: DE
Inventors: Eddy Ying Yin Torrance Ho
Original assignee: International Rectifier Corp USA
Current assignee: Infineon Technologies Americas Corp
Priority date: 2001-11-12
Filing date: 2002-11-12
Publication date: 2004-09-16
Also published as: US7299708B2; CN100362737C; US6910389B2; CN1586034A; WO2003043172B1; WO2003043172A1; US20050081647A1; US20030090262A1; JP2005510195A

Abstract

Verfahren zur Bestimmung eines Rotorwinkels in einer Antriebssteuerung für einen Motor mit den folgenden Schritten:
(a) Bestimmen eines Rotor-Magnetflusses in dem Motor;
(b) Abschätzen des Rotorwinkels auf der Grundlage des Rotormagnetflusses; und
(c) Korrigieren des abgeschätzten Rotorwinkels auf der Grundlage des Blindleistungs-Eingangs an den Motor.

Description

Querverweis auf verwandte Anmeldungen
Diese Anmeldung beruht auf der provisorischen US-Patentanmeldung Nr. 60/337,506 vom 12. Nov. 2001, deren Priorität beansprucht wird und deren Offenbarung durch diese Bezugnahme hier mit aufgenommen wird.
Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung bezieht sich auf Steuerungen für Motorantriebe und bezieht sich insbesondere auf eine Technik zur Abschätzung des Rotorwinkels in einem Permanentmagnet-Synchronmotorantrieb.
Hintergrund der Erfindung
Die Rotorpositionsinformation ist im allgemeinen für einen stabilen Betrieb von Permanentmagnet-Wechselstrommotoren mit einer sinusförmigen Stromerregung (PMSM) erforderlich. Eine kontinuierliche Rotorposition wurde in der Vergangenheit mit Hilfe von Kodierern gewonnen, die auf der Motorwelle befestigt waren, oder indirekt durch einen Abschätzalgorithmus auf der Grundlage einer Spannungs- und Stromrückführung. Die letztere Möglichkeit wird bevorzugt, weil sie zu niedrigeren System- und Betriebskosten führt.
Die meisten passiven Rotor-Abschätzschemas (auf der Grundlage der gemessenen Spannung und des Stromes) sind jedoch kompliziert und erfordern eine genaue Kenntnis der Motorparameter, wie zum Beispiel des Widerstands und der Induktivität. Diese Parameter, insbesondere der Stator-Widerstand, ändern sich jedoch sehr stark mit der Temperatur. Dies führt zu einer Ungenauigkeit bei der Rotorwinkel-Abschätzung und zu Regelstabilitätsproblemen, einer verringerten Drehmoment-pro-Ampere-Charakteristik und zu einer Beeinträchtigung der Motor-Betriebseffizienz.
Es würde daher wünschenswert sein, ein Rotorwinkel-Abschätzschema zu schaffen, das ein Betriebsverhalten mit maximalem Drehmoment pro Ampere ergibt, ohne dass eine genaue Kenntnis des Statorwiderstands oder anderer Motorparameter erforderlich ist.
Kurze Zusammenfassung der Erfindung
Die Erfindung ergibt ein neuartiges Verfahren zur Abschätzung der Rotorwinkel-Information für die Steuerung eines Permanentmagnet-Wechselstrommotors, der eine sinusförmige Gegen-EMK hat.
Der Rotorwinkel wird über eine phasenstarre Schleife (mit Phasenfehlerkompensation) abgeschätzt, die einen Schätzwert des Rotormagnetflusses empfängt. Der Rotormagnetfluss wird aus der Statorspannung (Ist-Spannung oder Befehls-Spannung), dem Strom, dem Widerstand und der Induktivität gewonnen.
Dann wird der Rotorwinkel-Abschätzfehler (Stator-Widerstandsänderung aufgrund der Temperatur) unter Verwendung einer neuartigen Winkelfehler-Korrektureinrichtung beseitigt. Diese Korrektureinrichtung beruht auf der Blindleistungskompensation und ist gegenüber Widerstandsänderungen unempfindlich. Weiterhin ist lediglich ein Induktivitätsparametertür das Bezugsmodell der Winkel-Korrektureinrichtung erforderlich.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist ein Blockschaltbild, das ein PMSM-Steuersystem zeigt, das eine Ausführungsform der Erfindung einschließt.
2 ist ein ausführlicheres Blockschaltbild, das die Rotorwinkel-Abschätzeinrichtung nach 1 zeigt.
3 ist ein Schaltbild einer Rotor-Magnetfluss-Abschätzeinrichtung, die dem Schaltbild nach 2 zugeordnet ist.
4 ist ein ausführlicheres Schaltbild, das die Rotorwinkel-Abschätzeinrichtung nach 1 zeigt.
5 ist eine graphische Darstellung, die eine Beziehung zwischen dem Blindleistungsfehler und dem Rotor-Winkelfehler normiert auf die Motor-Nennleistung zeigt.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
Die vorliegende Erfindung, wie sie in den 1 bis 5 gezeigt ist, bezieht sich auf einen Motor-Steueralgorithmus, der in Firmware realisiert ist. Der Schutzumfang der Erfindung schließt jedoch Realisierungen in irgendeiner Kombination von Hardware, Firmware und Software ein, die innerhalb der Kenntnisse eines durchschnittlichen Fachmanns liegt.
Ein Blockschaltbild des Steuerverfahrens ist in 1 gezeigt. Die d-Achse ist die Ausrichtung, die mit der Magnetachse des Rotors ausgerichtet ist (die Konvention, die in der Literatur verwendet wird).

Im folgenden sind die Definitionen der Größen angegeben, die in 1 gezeigt sind:

id*	Flussstrombefehl
iq*	Drehmoment-Strombefehl
id	Flussstrom-Rückführung
iq	Drehmoment-Stromrückführung
ia, ib	Phasenströme
Rtr_Ang	geschätzter Rotorwinkel
C_Rs	Widerstand des Stators pro Phase
Del_Ang	Kompensationswinkel von der Winkelkorrektureinrichtung
Vab, Vbc	Leitungsspannungs-Rückführungen
Vd	Flussachsen-Spannungsrückführung
Vq	Drehmomentachsen-Spannungsrückführung
We	Inverter-Grundfrequenz

Der Rotorwinkel-Abschätzblock nach 1 ist ausführlich in 2 gezeigt. Die Eingänge Flx_A und Flx_B sind Rotor-Magnetflüsse, die durch eine nicht-ideale Integration der Motor-Gegen-EMK gewonnen werden, die durch den Statorstrom, die Spannung, den Widerstand und die Induktivität gemäß 3 gebildet ist. In den Figuren stellt Tf die Zeitkonstante des nicht-idealen Integrators dar.
Es ist zu erkennen, dass die Eingänge (V_A, V_B, I_A und I_B) an die Fluss-Abschätzeinrichtung nach 3 einfach die 3-Phasen-(ia, ib, Vab, Vbc) auf 2-Phasen transformierten Signale sind.
Die Rotorwinkel-Abschätzeinrichtung (2) verwendet ein neuartiges phasenstarres Fluss-System. Eine Frequenz-Vorwärtszuführungs-Schaltung F kompensiert Phasenfehler aufgrund der nicht-idealen Integration von Statorspannungen, die in 3 zur Gewinnung des Flusses verwendet wird. Der durch die nicht-ideale Integration erzeugte Phasenfehler wird vollständig in der Schaltung F kompensiert.
Dann wird der Abschätzfehler aufgrund des Widerstands durch das Rotorwinkel-Korrektursystem kompensiert, das nachfolgend anhand der 4 beschrieben wird.
Die Rotorwinkel-Korrekturschaltung nach 1 ist im einzelnen in 4 gezeigt. Wenn der abgeschätzte Rotorwinkel (1) mit dem tatsächlichen Rotorwinkel übereinstimmt, so ist ein Bezugswert für den Blindleistungs-(Q)-Eingang an den Motor gleich: 1,5*We*(C_Lq*I*1+Flx_M*id+(C_Ld-C_Lq)*id*id)
Es sei jedoch bemerkt, dass für einen Permanentmagnet-Motor mit Oberflächenbefestigung (PMSM) die Luftspalt-Reluktanz identisch in der d-Achse und der q-Achse ist. Daher ist id=0 und Ld=Lq. Daher kann die vorstehende Gleichung für die Bezugs-Blindleistung vereinfacht werden zu: 1,5*We*(C_Lq*I*n
Die tatsächliche Motor-Blindleistung (Q), ausgedrückt in Ausdrücken von lediglich der Spannung und des Stromes, wird dann durch die folgende Gleichung berechnet: Q = 1,5*(Vq*id-Vd*iq).
In den vorstehenden Gleichungen ist:
C_Ld – d-Achsen-Induktivität
C_Lq – q-Achsen-Induktivität
I – Statorstrom-Amplitude
Flx_M – äquivalente Flussverknüpfung des Rotormagneten
Q – Anschluss-Blindleistung, und
We (omega e) – Stator-Grundfrequenz.
Weil C_Ld=C_Lq ist, kann die Rotorwinkel-Korrektur mit lediglich einem Induktivitätsparameter (Lq oder Ld) erzielt werden. Lq wird in diesem Fall verwendet. Selbstverständlich ist die Erfindung zur Verwendung mit anderen Motortypen genauso geeignet, wie zum Beispiel für Motoren mit innenliegendem Permanentmagnet, bei denen Ld nicht gleich Lq ist, wie dies für den Fachmann erkennbar ist.
Wenn der abgeschätzte Rotorwinkel mit dem tatsächlichen Rotorwinkel übereinstimmt, so ist die folgende Beziehung erfüllt: (Vq*id – Vd*iq) – We * C Lq * 1 * 1 = 0
Somit kann der Blindleistungs-Fehler zwischen Q und (We*C_Lq*I*I) (die vertikale Achse in 5) zum Nullen irgendeines Rotorwinkel-Fehlers (der horizontalen Achse in 5) verwendet werden, so dass das maximale Drehmoment pro Ampere aufrechterhalten werden kann, selbst wenn sich ein Fehler in dem Widerstandsparameter ergibt, der bei der Magnetfluss-Abschätzeinrichtung (3) verwendet wird.
Obwohl die vorliegende Erfindung bezüglich spezieller Ausführungsformen hiervon beschrieben wurde, sind vielfältige andere Abänderungen und Modifikationen und andere Anwendungen für den Fachmann erkennbar. Daher ist die vorliegende Erfindung nicht durch die hier angegebene spezielle Offenbarung beschränkt.
Zusammenfassung
Verfahren zur Bestimmung eines Rotorwinkels in einer Antriebssteuerung für einen Motor, mit den folgenden Schritten: (a) Bestimmen eines Rotor-Magnetflusses in dem Rotor, (b) Abschätzen des Rotorwinkels auf der Grundlage des Rotor-Magnetflusses; und (c) Korrigieren des abgeschätzten Rotorwinkels auf der Grundlage des Blindleistungs-Eingangs an den Motor. Der Schritt (a) kann den Schritt einer nicht-idealen Integration der Statorspannungs- und Stromwerte einschließen. Der Schritt (b) kann den Schritt der Korrektur von Phasenfehlern, die durch die nicht-ideale Integration hervorgerufen werden, über eine phasenstarre Schleife mit Phasenkompensation (F) einschließen. Der Schritt (c) kann die Schritte (1) des Berechnens eines ersten Blindleistungs-Eingangswertes als 1,5*WE*(C_Lq*I*I) und eines zweiten Blindleistungs-Eingangswertes als 1,5*(Vq*id-Vd*iq); (2), der Bestimmung eines Unterschieds zwischen den ersten und zweiten Blindleistungs-Eingangswerten; und (3) der Anwendung des Unterschieds auf den im Schritt (b) abgeschätzten Rotorwinkel einschließen, um einen korrigierten Rotorwinkel zu gewinnen.

Claims

Verfahren zur Bestimmung eines Rotorwinkels in einer Antriebssteuerung für einen Motor mit den folgenden Schritten: (a) Bestimmen eines Rotor-Magnetflusses in dem Motor; (b) Abschätzen des Rotorwinkels auf der Grundlage des Rotormagnetflusses; und (c) Korrigieren des abgeschätzten Rotorwinkels auf der Grundlage des Blindleistungs-Eingangs an den Motor.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Schritt (a) den Schritt einer nicht idealen Integration der Statorspannungs- und Stromwerte einschließt.
Verfahren nach Anspruch 2, bei dem der Schritt (b) den Schritt der Korrektur von Phasenfehlern, die durch die nicht-ideale Integration hervorgerufen werden, über eine phasenstarre Schaltung mit einer Phasenkompensation (F) einschließt.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Schritt (c) die Schritte der: Berechnung eines ersten Blindleistungs-Eingangswertes als 1,5*We*(C_Lq*I*I) und eines zweiten Blindleistungs-Eingangswertes als 1,5*(Vq*id-Vd*iq); Bestimmung der Differenz zwischen den ersten und zweiten Blindleistungs-Eingangswerten; und die Anwendung des Unterschieds auf den im Schritt (b) abgeschätzten Rotorwinkel zur Gewinnung eines korrigierten Rotorwinkels einschließt.
Verfahren zur Bestimmung eines Rotorwinkels in einer Antriebssteuerung für einen Motor, mit den folgenden Schritten: a) Bestimmen eines Rotor-Magnetflusses in dem Motor; und b) Abschätzen des Rotorwinkels auf der Basis des Rotor-Magnetflusses; wobei der Schritt (a) den Schritt einer nicht-idealen Integration der Stator-Spannungs- und Stromwerte einschließt.
Verfahren nach Anspruch 5, bei dem der Schritt (b) den Schritt der Korrektur von Phasenfehlern, die durch die nicht-ideale Integration hervorgerufen werden, über eine phasenstarre Schleife mit Phasenkompensation (F) einschließt.
Verfahren zur Bestimmung eines Rotorwinkels in einer Antriebssteuerung für einen Motor, mit den folgenden Schritten: Abschätzen eines Rotorwinkels; und Korrigieren des abgeschätzten Rotorwinkels auf der Grundlage des Blindleistungs-Eingangs an den Motor.
Verfahren nach Anspruch 7, bei dem der Korrekturschritt die folgenden Schritte einschließt: Berechnen eines ersten Blindleistungs-Eingangswertes als We*(C_Lq*I*I) und eines zweiten Blindleistungs-Eingangswertes als (Vq*id-Vd*iq); Bestimmung einer Differenz zwischen den ersten und zweiten Blindleistungs-Eingangswerten; und Anwenden der Differenz auf den abgeschätzten Rotorwinkel, um einen korrigierten Rotorwinkel zu gewinnen.