DE10355423A1 - Verfahren zur Erkennung eines fehlerhaften Rotorlagewinkelsignals sowie Einrichtungen zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Verfahren zur Erkennung eines fehlerhaften Rotorlagewinkelsignals sowie Einrichtungen zur Durchführung des Verfahrens Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erkennung eines fehlerhaften Rotorlagewinkelsignals (φr) eines mit einem Stromrichter (4) gespeisten Synchronmotors (5), wobei aus dem Rotorlagewinkelsignal (φr) ein erster Flusswinkel
Figure 00000002
bestimmt wird, wobei aus Motorströmen (i1, i1, i3) des Synchronmotors (5) ein Stromraumzeiger (I) bestimmt wird, wobei aus einem Spannungsraumzeiger (U) der Motorspannungen des Synchronmotors (5) und dem Stromraumzeiger (I), mithilfe eines Flussmodels (20) des Synchronmotors (5), ein zweiter Flusswinkel (φΨ) bestimmt wird und bei unzureichender Übereinstimmung von erstem und zweitem Flusswinkel auf ein fehlerhaftes Rotorlagewinkelsignal (φr) erkannt wird. Die Erfindung betrifft weiterhin Einrichtungen zur Durchführung des Verfahrens. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren handelt es sich um ein einfaches Verfahren zur Erkennung eines fehlerhaften Rotorlagewinkelsignals (φr) eines mit einem Stromrichter (4) gespeisten Synchronmotors (5).

Description

  • Verfahren zur Erkennung eines fehlerhaften Rotorlagewinkelsignals sowie Einrichtungen zur Durchführung des Verfahrens Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erkennung eines fehlerhaften Rotorlagewinkelsignals eines mit einem Stromrichter gespeisten Synchronmotors.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ferner einen Datenträger mit einem auf dem Datenträger gespeicherten Computerprogramm zur Durchführung eines derartigen Verfahrens.
  • Die Erfindung vorliegende Erfindung betrifft weiterhin einen Rechner mit einem Programmspeicher, in dem ein Computerprogramm hinterlegt ist, so dass bei Aufruf des Computerprogramms von dem Rechner ein derartiges Verfahren ausführbar ist.
  • Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine Werkzeug- oder Produktionsmaschine mit einem wie oben ausgeführten Rechner, wobei der Rechner als Steuer- oder Regeleinrichtung ausgebildet ist.
  • Die Motoren von handlesüblichen elektrischen Antrieben werden im Allgemeinen mittels eines Stromrichters gespeist und gesteuert. Zur Regelung des Motors wird häufig eine so genannte feldorientierte Regelung eingesetzt, die auf einer Entkoppelung der feld- und momentenbildenden Stromkomponenten beruht. Eine solche Entkoppelung geschieht unter anderem durch eine Berechnung der Stromkomponenten in einem z.B. mit dem Läuferfluss des Motors umlaufenen Koordinatensystem. Eine solche feldorientierte Regelung benötigt zur Berechnung des Flusswinkels im Motor den Rotorlagewinkel des Rotors, der mittels eines sich am Motor befindlichen Gebers gemessen und in Form eines Rotorlagewinkelsignals ausgeben wird. Bei einer feldorientierten Regelung geht somit z.B. bei Ausfall des Gebers die Information über die Winkellage des Drehfeldes im Motor für die Regelung verloren. Eine ordnungsgemäße Regelung bzw. Steuerung des Motors mittels einer feldorientierten Regelung ist dann nicht mehr möglich.
  • Häufig wird der Rotorlagewinkel nur mit einem Geber mit inkrementellen Maßstab ohne Absolutmaßstab gemessen. Die Absolutposition des Rotors im noch unbewegten Zustand wird dann einmalig direkt nach dem Einschalten mittels spezieller allgemein in der Technik bekannter Verfahren ermittelt. Tritt hierbei ein Fehler auf, kann es unter ungünstigen Bedingungen (Winkelfehler zwischen 90° und 270°) vorkommen, dass der Motor ständig weiterbeschleunigt, was zu einer Gefährdung einer Anlage oder einer Person führen kann. Das selbe Problem kann auftreten wenn der inkrementelle Maßstab Zählstriche verliert.
  • Um eine Gefährdung einer Anlage oder einer Person zu vermeiden, muss deshalb der Antrieb bei einem fehlerhaften Rotorlagewinkelsignal möglichst schnell, insbesondere z.B. im Hinblick auf den begrenzten Verfahrweg von Linearmotoren, stillgesetzt oder anderweitige Maßnahmen ergriffen werden.
  • Aus der deutschen Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 103 00 953.1 ist das Prinzip einer feldorientierten Regelung bekannt.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein einfaches Verfahren zur Erkennung eines fehlerhaften Rotorlagewinkelsignals eines mit einem Stromrichter gespeisten Synchronmotors zu schaffen.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Erkennung eines fehlerhaften Rotorlagewinkelsignals eines mit einem Stromrichter gespeisten Synchronmotors gelöst, wobei aus dem Rotorlagewinkelsignal ein erster Flusswinkel bestimmt wird, wobei aus Motorströmen des Synchronmotors ein Stromraumzeiger bestimmt wird, wobei aus einem Spannungsraumzeiger der Motorspannungen des Synchronmotors und dem Stromraumzeiger, mit Hilfe eines Flussmodels des Synchronmotors, ein zweiter Flusswinkel bestimmt wird und bei unzureichender Übereinstimmung von ersten und zweiten Flusswinkel auf ein fehlerhaftes Rotorlagewinkelsignal erkannt wird.
  • Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, dass schon bei sehr kleinen Drehzahlen des Synchronmotors, die nur einen Bruchteil der Nenndrehzahl des Synchronmotors betragen, ein fehlerhaftes Motorlagewinkelsignal erkannt werden kann.
  • Eine erste vorteilhafte Ausbildung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Flussmodel mit Hilfe der Beziehung
    Figure 00030001
    aus dem Spannungsraumzeiger U, dem Stromraumzeiger I, dem Ständerwicklungswiderstand RA und der Ständerwicklungsinduktivität LA den Induktionsspannungsraumzeiger U ind berechnet, wobei vom Flussmodel (20), aus dem Induktionsspannungsraumzeiger U ind der Winkel φind des Induktionsspannungsraumzeigers U ind berechnet wird und durch Subtraktion eines Subtraktionswinkels β von vorzugsweise 90° bei einer positiven Kreisfrequenz ω des Rotors des Synchronmotors vom Winkel φind oder durch Subtraktion eines Subtraktionswinkels β von vorzugsweise 270° bei einer negativen Kreisfrequenz ω des Rotors des Synchronmotors vom Winkel φind, der zweite Flusswinkel ωΨ bestimmt wird. Mit Hilfe eines solchen Flussmodels lässt sich auf besonders einfache Art und Weise der Winkel φind des Induktionsspannungsraumzeigers U ind berechnen.
  • Ferner hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Strom- und Spannungsraumzeiger auf ein ruhendes ständerfestes Koordinatensystem bezogen sind, da die betreffenden Strom- und Spannungsraumzeiger ohnehin als Größen innerhalb der feldorientierten Regelung berechnet werden und somit zusätzlicher Aufwand zur Berechnung der Raumzeiger entfällt.
  • Ferner hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Strom- und Spannungsraumzeiger auf einen mit dem Läuferfluss des Synchronmotors umlaufenden Koordinatensystem bezogen sind, da die betreffenden Strom- und Spannungsraumzeiger ohnehin als Größen innerhalb der feldorientierten Regelung berechnet werden und somit zusätzlicher Aufwand zur Berechnung der Raumzeiger entfällt.
  • Eine weitere vorteilhafte Ausbildung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungsraumzeiger der Motorspannung des Synchronmotors aus gemessenen Klemmenspannungen des Synchronmotors bestimmt wird. Wenn der Spannungsraumzeiger der Motorspannungen des Synchronmotors aus den gemessenen Klemmenspannungen des Synchronmotors bestimmt wird, ist eine von der Regelung unabhängige Ermittlung des Spannungsraumzeigers der Motorspannungen des Synchronmotors sichergestellt.
  • Eine weitere vorteilhafte Ausbildung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungsraumzeiger, aus von einer Regelung des Synchronmotors vorgegebenen, vom Stromrichter einzubringenden Spannungen abgeleitet wird. Eine zusätzliche Messung der Klemmenspannungen des Synchronmotors kann somit entfallen.
  • Eine weitere vorteilhafte Ausbildung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass, falls die einzuprägenden Spannungen in Form eines einzuprägenden Spannungsraumzeigers vorliegen, der einzuprägende Spannungsraumzeiger als Spannungsraumzeigereingangsgröße des Flussmodels verwendet wird. Da bei einer feldorientierten Regelung der einzuprägende Spannungsraumzeiger dem Stromrichter in der Regel als Sollwert vorgegeben wird und somit ohnehin von der feldorientierten Regelung berechnet wird, kann dieser als Spannungsraumzeigereingangsgröße des Flussmodels verwendet werden.
  • Ferner erweist es sich als vorteilhaft, dass bei einem erkannten fehlerhaften Rotorlagewinkelsignal der Synchronmotor abgeschaltet wird, da dann eine Gefährdung von Personal oder Material sicher vermieden wird. Eine solche Abschaltung kann z.B. durch eine Impulssperre des Stromrichters erzeugt werden. Zusätzlich können noch weitere Maßnahmen wie z.B. eine Ankerkurzschlussbremsung eingeleitet werden.
  • Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, wenn bei einem erkannten fehlerhaften Rotorlagewinkelsignal, auf eine geberlose Regelung umgeschaltet wird. Durch diese Maßnahme kann selbst bei einen fehlerhaften Rotorlagewinkelsignal der Produktions- bzw. Fertigungsvorgang fortgeführt werden.
  • Das Verfahren eignet sich besonders zur Erkennung eines fehlerhaften Rotorlagewinkelsignals eines mit einem Stromrichter gespeisten Synchronmotors bei Werkzeugmaschinen oder Produktionsmaschinen, da auf diesem technischem Gebiet, die im Falle eines fehlerhaften Rotorlagewinkelsignals entstehenden Schäden besonders hoch sind. Es sei jedoch an dieser Stelle ausdrücklich angemerkt, dass das erfindungsgemäße Verfahren sich auch zum Einsatz auf anderen technischen Gebieten eignet. Auch muss zur Regelung des Motors nicht zwangsläufig eine feldorientierte Regelung vorliegen, sondern es können auch andere Arten von Regelungen vorliegen, wobei das erfindungsgemäße Verfahren trotzdem angewendet werden kann.
  • Für die Durchführung des Verfahrens erweist es sich als günstig, wenn ein Datenträger mit einem auf dem Datenträger gespeicherten Computerprogramm zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen ist.
  • Ferner erweist es sich als vorteilhaft, dass ein Rechner mit einem Programmspeicher vorgesehen ist, in dem ein Computerprogramm hinterlegt ist, so dass bei Aufruf des Computerprogramms von dem Rechner das erfindungsgemäße Verfahren ausführbar ist.
  • Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, dass der Rechner als Steuer- oder Regeleinrichtung ausgebildet ist.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher erläutert. Dabei zeigen:
  • 1 eine feldorientierte Regelung und ein Flussmodell,
  • 2 ein elektrisches Ersatzschaltbild ein Synchronmotors,
  • 3 ein Zeigerdiagramm und
  • 4 eine Werkzeug- oder Produktionsmaschine in einer schematisierten Ansicht
  • In 1 ist in Form eines Blockschaltbildes im Wesentlichen eine feldorientierte Regelung 21 zur Regelung eines Synchronmotors 5 und ein Flussmodel 20 dargestellt. Der Synchronmotors 5 kann dabei als rotatorischer Motor oder als Linearmotor realisiert sein. Der Synchronmotor 5 wird mittels eines Stromrichters 4 durch die drei Stromphasen i1, i2 und i3 gespeist. Die drei Motorströme i1, i2 und i3 werden gemessen und einem 3-2-Wandler 7 zugeführt. Der 3-2-Wandler 7 berechnet aus den drei Motorströmen i1, i2 und i3 gemäß der Beziehung
    Figure 00060001
    die zueinander rechtwinklig stehenden Ist-Stromkomponenten iαist und iβist als so genannte Stromraumzeigerwerte innerhalb eines ruhenden ständerfesten Koordinatensystems. Die Ist-Stromkomponente iαist sowie die Ist-Stromkomponente iβist wird mit Hilfe eines Vektordrehers 8 durch die komplexe Beziehung
    Figure 00060002
    • e:
    Eulersche Zahl
    j:
    Imaginäre Einheit (j2 = –1)
    in die momentenbildende Ist-Stromkomponente iqist und die feldbildende Ist-Stromkomponente idist in einem mit dem Läuferfluss des Motors 5 umlaufenden rechtwinkligen Koordinatensystem überführt. Der hierfür notwendige Flusswinkel φ ^Ψ wird dem Vektordreher 8 von der Flusswinkelberechnung 9 zur Verfügung gestellt. Zur Berechnung des Flusswinkels φ ^Ψ benötigt die Flusswinkelberechnung 9 ein Motorlagewinkelsignal φr von einem an den Motor 5 angeschlossenen Geber 6.
  • In dem Ausführungsbeispiel gibt der Geber 6 als Rotorlagewinkelsignal φr einen Rotorlagewinkel φr des Rotors des Synchronmotors 5 an die Flusswinkelberechnung 9 aus. Die Flusswinkelberechnung 9 berechnet aus dem Rotorlagewinkel φr des Synchronmotors 5, unter Zuhilfenahme der Kenntnis des mechanischen und elektrischen Aufbaus des Synchronmotors 5, den Flusswinkel φ ^Ψ des Läuferflusses des Synchronmotors 5.
  • Zur Regelung der Ist-Stromkomponenten idist bzw. iqist im drehenden Koordinatensystem wird die Differenz aus Soll-Stromkomponente idsoll und Ist-Stromkomponente idist einem PI-Regler 1 zugeführt und die Differenz aus Soll-Stromkomponente iqsoll und Ist-Stromkomponente iqist einem PI-Regler 2 zugeführt. Die Soll-Stromkomponenten idsoll und iqsoll im drehenden Koordinatensystem können entweder direkt oder von der Übersichtlichkeit halber nicht mehr dargestellten überlagerten Regelkreisen (z.B. einer übergeordneten Lageregelung) vorgegeben werden. Der PI-Regler 1 gibt als Ausgangsgröße die feldbildende Soll-Spannungskomponente udsoll an einen Vektordreher 3 als erste Eingangsgröße weiter. Der PI-Regler 2 gibt als Ausgangsgröße die momentenbildende Soll-Spannungskomponente uq soll an den Vektordreher 3 als zweite Eingangsgröße weiter. Der Vektordreher 3 berechnet gemäß der Beziehung
    Figure 00070001
    • e:
    Eulersche Zahl
    j:
    Imaginäre Einheit (j2 = –1)
    aus der Soll-Spannungskomponente udsoll und uqsoll im umlaufenden Koordinatensystem sowie dem Flusswinkel φ ^Ψ die Soll-Spannungskomponenten uαsoll und uβsoll als so genannte Spannungsraumzeigerwerte im ruhenden Koordinatensystem. Die Soll-Spannungskomponenten uαsoll und uβsoll werden einem in 1 nicht dargestellten Steuersatz innerhalb des Stromrichters 4 zugeführt. Der Steuersatz berechnet aus den Soll-Spannungskomponenten uαsoll und uβsoll, die für den Stromrichter 4 benötigten Zündwinkel und Zündimpulse zur Ansteuerung der Ventile des Stromrichters.
  • Fällt bei einer solchen im Ausführungsbeispiel in 1 beispielhaft dargestellten feldorientierten Regelung der Geber 6 aus oder ist das Rotorlagewinkelsignal φr ganz allgemein fehlerhaft, dann kann kein korrekter Flusswinkel φ ^Ψ mehr berechnet werden. Der feldorientierten Regelung fehlt somit die Orientierung auf das Drehfeld des Synchronmotors 5. Eine weitere Regelung des Synchronmotors 5, insbesondere eine Bremsung des Synchronmotors 5, ist mittels der feldorientierten Regelung somit nicht mehr möglich. Dies gilt nicht nur für die im Ausführungsbeispiel in 1 gezeigte feldorientierte Regelung sondern im Prinzip bei beliebigen feldorientierten Regelungen bei einem fehlerhaften Rotorlagewinkelsignal φr.
  • Hier setzt nun das erfindungsgemäße Verfahren an. Erfindungsgemäß wird mit Hilfe eines Flussmodels 20 aus den Motorspannungen und Motorströmen ein zweiter Flusswinkel φΨ berechnet und dieser mit dem ersten durch Messung gewonnenen ersten Flusswinkels φ ^Ψ verglichen. Bei unzureichender Übereinstimmung von ersten und zweiten Flusswinkel wird auf ein fehlerhaftes Rotorlagewinkelsignal φr erkannt.
  • Zum Verständnis des Flussmodels 20 gemäß 1 ist in 2 ein einphasiges elektrisches Ersatzschaltbild des Synchronmo tors dargestellt. Bei Anlegen einer Klemmenspannung u an die Klemmen des Synchronmotors beginnt ein Strom i durch den Ständerwicklungswiderstand RA und die Ständerwicklungsinduktivität LA zu fließen. Wenn sich nun bedingt durch den Strom i der Rotor des Synchronmotors sich anfängt zu drehen oder im Falle eines Linearmotors der Rotor eine lineare Bewegung durchführt, wird eine der Klemmenspannung u des Synchronmotors entgegenwirkende Induktionsspannung uind induziert.
  • In 3 sind die aus dem elektrischen Ersatzschaltbild gemäß 2 sich ergebenden Raumzeiger in einem ruhenden ständerfesten Koordinatensystem mit einer Realteilachse Re und einer Imaginärteilachse Im dargestellt. Die dargestellten Raumzeiger rotieren dabei mit der Kreisfrequenz ω des Rotors. Der Spannungsraumzeiger U der Klemmenspannungen ergibt sich durch vektorielle bzw. komplexe Addition aus dem Induktionsspannungsraumzeiger U ind der Induktionsspannungen, dem über dem Ständerwicklungswiderständen abfallenden Spannungen in Form eines Spannungswiderstandsraumzeigers RA·I, wobei I den Stromraumzeiger der Motorströme i1, i2 und i2 darstellt und die über den Ständerwicklungsinduktivitäten abfallenden Spannungen in Form eines Ständerwicklungsspannungsraumzeigers jωLA I vorliegen.
  • Aus dem oben genannten Sachverhalt ergibt sich stationär für den Induktionsspannungsraumzeiger U ind U ind = U – RA·I – jωLA I (4)und für den allgemeinen Fall
    Figure 00090001
    • U:
    Spannungsraumzeiger
    I:
    Stromraumzeiger
    R
    A: Ständerwicklungswiderstand
    L
    A: Ständerwicklungsinduktivität
    U
    ind: Induktionsspannungsraumzeiger
    φind:
    Winkel des Induktionsspannungsraumzeigers
    t:
    Zeit
    ω:
    Kreisfrequenz des Rotors
    Ψ:
    Flussraumzeigers
  • Aufgrund der elektrischen Gegebenheiten im Motor eilt der Flusswinkel φΨ des Flussraumzeigers Ψ des Läuferflusses im Idealfall entsprechend Beziehung (5) bei einer positiven Kreisfrequenz ω um 90° dem Winkel φind des Induktionsspannungsraumzeigers U ind vor, d.h. es gilt: φΨ = φind – 90° (für ω > 0) (7)
  • Bei einer negativen Kreisfrequenz ω eilt der Flusswinkel φΨ des Flussraumzeigers Ψ des Läuferflusses im Idealfall entsprechend Beziehung (5) um 270° dem Winkel φind des Induktionsspannungsraumzeigers U ind vor, d.h. es gilt: φΨ = φind – 270° (für ω < 0) (8)
  • In 3 ist für den Fall einer positiven Kreisfrequenz ω der aus dem Flussmodel sich ergebende berechnete Flussraumzeiger Ψ mit dem Winkel φΨ dargestellt. Der Betrag des Flussraumzeigers Ψ wird dabei nicht vom Flussmodel berechnet. Die Kenntnis des Betrages des Flussraumzeigers Ψ ist zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens jedoch auch nicht notwendig. Der aus dem Rotorlagewinkelsignal φr mittels der Flussberechnung 9 ermittelte Flusswinkel φ ^Ψ ist mit dem dazugehörigen Läuferfluss
    Figure 00100001
    in 3 ebenfalls gestrichelt eingezeichnet. Aus der Differenz zwischen dem mittels des Flussmodels 20 bestimmten Flusswinkels φΨ, der im Rahmen der Anmeldung auch als zweiter Flusswinkel φΨ bezeichnet wird, und dem mittels Messung aus dem Rotorlagewinkelsignal φr bestimmten Flusswinkels φ ^Ψ, der im Rahmen der Anmeldung auch als erster Flusswinkel φ ^Ψ bezeichnet wird, ergibt sich ein Differenzwinkel Δφ. Stimmen der erste Flusswinkel φ ^Ψ und der zweite Flusswinkel φΨ nur unzureichend überein, d.h. wird der Betrag des Differenzwinkels Δφ zu groß, so wird davon ausgegangen, dass der Flusswinkelberechnung 9 ein fehlerhaftes Rotorhagewinkelsignal φr als Eingangsgröße zugeführt wurde, infolge dessen wird auf ein fehlerhaftes Rotorlagewinkelsignal φr erkannt. Für den Fall einer negativen Kreisfrequenz ω gelten die zu 3 gemachten Erläuterungen in analoger Weise.
  • In 1 ist ein konkretes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt, wobei das Kernstück das Flussmodel 20 bildet. In dem Ausführungsbeispiel liegt der Spannungsraumzeiger U in Form der Soll-Spannungskomponenten uαsoll und uβsoll bereits als Real- und Imaginärteil vor. Der Spannungsraumzeiger U wird mit Hilfe eines Raumzeigerberechnungsmittels 13 gemäß der Beziehung U = uαsoll + juβsoll (8)berechnet.
  • Entsprechend wird der Stromraumzeiger I aus den Ist-Stromkomponenten iαist und iβist gemäß der Beziehung I = iαist + jiβist (9)berechnet.
  • Der Spannungsraumzeiger U und der Stromraumzeiger I werden als Eingangsgröße einem Mittel 14 zur Berechnung der Induktionsspannung U ind zugeführt. Im Mittel 14 zur Berechnung der Induktionsspannung U ind wird, gemäß der Beziehung 5, aus dem Spannungsraumzeiger U, dem Stromraumzeiger I, dem Ständerwicklungswiderstand RA und der Ständerwicklungsinduktivität LA der Induktionsspannungsraumzeiger U ind berechnet. Der Ständerwicklungswiderstand RA und der Ständerwicklungsinduktivität LA sind dabei aus Herstellerangaben des Synchronmotors bekannt. Der berechnete Induktionsspannungsraumzeiger U ind wird einem Polarkoordinatenumsetzer 15 als Eingangsgröße zugeführt, der gemäß dem vorderen Teil von Beziehung 5 den Betrag U ind und den Winkel φind des Induktionsspannungsraumzeigers U ind berechnet und den Winkel φind ausgibt. In einem nachfolgenden Subtrahierer 16 wird ein Subtraktionswinkel β von vorzugsweise 90° bei einer positiven Kreisfrequenz ω vom Winkel φind des Induktionsspannungsraumzeigers U ind abgezogen oder es wird im Falle einer negativen Kreisfrequenz ω ein Subtraktionswinkel β von vorzugsweise 270° vom Winkel φind des Induktionsspannungsraumzeigers U ind abgezogen und solchermaßen ein zweiter Flusswinkel φΨ berechnet. Der zweite Flusswinkel φΨ wird nachfolgend mittels eines Subtrahierers 17 vom ersten Flusswinkel φΨ subtrahiert und die solchermaßen berechnete Differenz einen Betragsbilder 18 zugeführt, der den Differenzwinkel Δφ als Ausgangsgröße ausgibt. Der Differenzwinkel Δφ wird als Eingangsgröße einem Grenzwertbaustein 19 zugeführt. Überschreitet der Differenzwinkel Δφ einen vom Anwender vorgegebenen kritischen Differenzwinkel Δφkrit, so geht ein Signal S am Ausgang des Grenzwertbausteins 19 auf einen logischen High-Pegel, was ein erkanntes fehlerhaftes Rotorlagesignal φr signalisiert.
  • In dem Ausführungsbeispiel wird das Signal S als Eingangsgröße dem Stromrichter 4 zugeführt, der bei einem auftretenden High-Pegel des Signals S eine Impulssperre durchführt und somit den Synchronmotor sicher und schnell abschaltet.
  • Alternativ ist es aber auch möglich, das Signal S zu benutzen, um bei einem auftretenden High-Pegel des Signals S zur Regelung des Motors, auf eine aus der Technik allgemein bekannte sogenannte geberlose Regelung d.h. auf eine Regelung, die zur Regelung kein mittels eines Gebers direkt gemessenen Rotorlagewinkel benötigt, umzuschalten. Dies hat den Vorteil, dass der Fertigungs- bzw. Produktionsprozess fortgeführt werden kann. Dem Anwender wird in diesem Fall lediglich eine Alarmmeldung ausgegeben.
  • Eine Bestimmung ob die Kreisfrequenz ω positiv oder negativ ist kann z.B. leicht mittels einer Auswertung des Rotorlagewinkelsignals φr erfolgen. Ein ansteigender oder abfallender Wert des Rotorlagewinkels kann dann entsprechend einer gewählten Bezugsrichtung eine positive oder negative Kreisfrequenz zugeordnet werden. Selbstverständlich kann die Umlaufrichtung der Kreisfrequenz aber auch aus den Raumzeigergrößen abgeleitet werden.
  • Weiterhin ist es natürlich auch möglich, als Eingangsgröße für das Flussmodel 20 anstatt Strom- und Spannungsraumzeiger, die auf ein ruhendes ständerfestes Koordinatensystem bezogen sind, Strom- und Spannungsraumzeiger, die auf ein mit dem Läuferfluss des Synchronmotors umlaufenden Koordinatensystem bezogen sind, zu verwenden. In 1 würde dies bedeuten, dass den Raumzeigerberechnungsmitteln 12 und 13 nicht die Ist-Stromkomponenten iαist und iβist bzw. nicht die Sollspannungskomponenten uαsoll und uβsoll als Eingangsgröße zugeführt werden, sondern das den Raumzeigerberechnungsmitteln 12 und 13, die Soll-Spannungskomponente udsoll und die Sollspannungskomponente uqsoll bzw. die Ist-Stromkomponenten idist bzw. iqist zugeführt werden.
  • In dem Ausführungsbeispiel wurde der Spannungsraumzeiger U besonders vorteilhaft aus von einer Regelung des Synchronmotors vorgegebenen, vom Stromrichter einzuprägenden Spannungen abgeleitet. Die einzuprägenden Spannungen liegen dabei in dem Ausführungsbeispiel in Form der Soll-Spannungskomponenten uαsoll und uβsoll vor und stellen den Real- und Imaginärteil des vom Stromrichter einzuprägenden Spannungsraumzeigers U dar. Alternativ ist es jedoch auch möglich, die Klemmenspannung des Synchronmotors mittels entsprechender Geber zu messen und mittels einem von der Regelung unabhängigen 3-2-Wandler ent sprechend Beziehung (1) den Real- und Imaginärteil des Spannungsraumzeigers U zu bestimmen. Das Flussmodel arbeitet dann unabhängiger von der Regelung 21 und der zweite Flusswinkel φΨ kann mit höherer Präzision bestimmt werden.
  • Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist gemäß 4 ein Rechner 22 mit einem Programmspeicher 23 vorgesehen, in dem ein Computerprogramm 24 hinterlegt ist, so dass bei Aufruf des Computerprogramms 24 von dem Rechner 22 das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt wird. Der Rechner 22 ist dabei in dem Ausführungsbeispiel als eine Regel- oder Steuereinrichtung ausgebildet. Die Regel- oder Steuereinrichtung 22 ist in dem Ausführungsbeispiel gemäß 4 Bestandteil einer Werkzeug- oder Produktionsmaschine 25, wobei selbstverständlich die Werkzeug- oder Produktionsmaschine 25 noch andere Bestandteile aufweist, die jedoch der Übersichtlichkeit halber und da Sie zum Verständnis der Erfindung unwesentlich sind, in 4 nicht dargestellt sind.
  • Weiterhin kann das Computerprogramm 24 auch auf einem Datenträger 27 gespeichert sein, wobei der Datenträger z.B. als Flash-Karte, Diskette, CD-ROM, DVD oder Festplatte ausgebildet sein kann.
  • Im Rahmen der vorliegenden Erfindung werden unter dem Begriff Werkzeugmaschinen z.B. ein- oder mehrachsige Dreh-, Fräs-, Bohr- oder Schleifmaschinen verstanden. Zu den Werkzeugmaschinen werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch noch Bearbeitungszentren, lineare und rotatorische Transfermaschinen, Lasermaschinen oder Wälz- und Verzahnmaschinen gezählt. Allen gemeinsam ist, dass ein Material bearbeitet wird, wobei diese Bearbeitung mehrachsig ausgeführt werden kann. Zu den Produktionsmaschinen werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung z.B. Textil-, Kunststoff-, Holz-, Glas-, Keramik- oder Steinbearbeitungsmaschinen gezählt. Maschinen der Umformtechnik, Verpackungstechnik, Drucktechnik, Fördertechnik, Aufzugstechnik, Pumpentechnik, Transporttechnik, Lüftertechnik sowie Windkrafträder, Hebewerkzeuge, Kräne und Roboter sowie Fertigungsstraßen gehören ebenfalls im Rahmen der vorliegenden Erfindung zu den Produktionsmaschinen.

Claims (14)

  1. Verfahren zur Erkennung eines fehlerhaften Rotorlagewinkelsignals (φr) eines mit einem Stromrichter (4) gespeisten Synchronmotors (5), wobei aus dem Rotorlagewinkelsignal (φr) ein erster Flusswinkel (φΨ) bestimmt wird, wobei aus Motorströmen (i1, i1, i3) des Synchronmotors (5) ein Stromraumzeiger (I) bestimmt wird, wobei aus einem Spannungsraumzeiger (U) der Motorspannungen des Synchronmotors (5) und dem Stromraumzeiger (I), mit Hilfe eines Flussmodels (20) des Synchronmotors (5), ein zweiter Flusswinkel (φΨ) bestimmt wird und bei unzureichender Übereinstimmung von ersten und zweiten Flusswinkel auf ein fehlerhaftes Rotorlagewinkelsignal (φr) erkannt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Flussmodel mit Hilfe der Beziehung
    Figure 00160001
    aus dem Spannungsraumzeiger (U) , dem Stromraumzeiger (I), dem Ständerwicklungswiderstand (RA) und der Ständerwicklungsinduktivität LA den Induktionsspannungsraumzeiger (U ind) berechnet, wobei vom Flussmodel (20), aus dem Induktionsspannungsraumzeiger (U ind) der Winkel (φind) des Induktionsspannungsraumzeigers (U ind) berechnet wird und durch Subtraktion eines Subtraktionswinkels (β) von vorzugsweise 90° bei einer positiven Kreisfrequenz (ω) des Rotors des Synchronmotors vom Winkel (φind) oder durch Subtraktion eines Subtraktionswinkels (β) von vorzugsweise 270° bei einer negativen Kreisfrequenz (ω) des Rotors des Synchronmotors vom Winkel (φind), der zweite Flusswinkel (φΨ) bestimmt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Strom- und Spannungsraumzeiger (I, U) auf ein ruhendes ständerfestes Koordinatensystem bezogen sind.
  4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Strom- und Spannungsraumzeiger (I, U) auf ein mit dem Läuferfluss des Synchronmotors (5) umlaufenden Koordinatensystem bezogen sind.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungsraumzeiger (U) der Motorspannungen des Synchronmotors (5) aus gemessenen Klemmenspannungen (u1, u2, u3) des Synchronmotors bestimmt wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungsraumzeiger (U), aus von einer Regelung (21) des Synchronmotors (5) vorgegebenen, vom Stromrichter (4) einzuprägenden Spannungen (uαsoll, uβsoll) abgeleitet wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass falls die einzuprägenden Spannungen (uαsoll, uβsoll) in Form eines einzuprägenden Spannungsraumzeigers (U) vorliegen, der einzuprägende Spannungsraumzeiger (U) als Spannungsraumzeigereingangsgröße des Flussmodels (20) verwendet wird.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem erkannten fehlerhaften Rotorlagewinkelsignal (φr) der Synchronmotor (5) abgeschaltet wird.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem erkannten fehlerhaften Rotorlagewinkelsignal (φr), auf eine geberlose Regelung umgeschaltet wird.
  10. Verwendung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Erkennung eines fehlerhaften Rotorlagewinkel signals (φr) eines mit einem Stromrichter (4) gespeisten Synchronmotors (5) bei Werkzeug-, oder Produktionsmaschinen (25).
  11. Datenträger (27) mit einem auf dem Datenträger (27) gespeicherten Computerprogramm (24) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9.
  12. Rechner (22) mit einem Programmspeicher (23), in dem ein Computerprogramm (24) hinterlegt ist, so dass bei Aufruf des Computerprogramms (24) von dem Rechner (22) das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 ausführbar ist.
  13. Rechner nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Rechner (22) als Steuer- oder Regeleinrichtung ausgebildet ist.
  14. Werkzeug- oder Produktionsmaschine (25) mit einer Steuer- oder Regeleinrichtung (22) nach Anspruch 13.
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