DE19928481B4

DE19928481B4 - Verfahren zur vereinfachten feldorientierten Regelung von Asynchronmaschinen

Info

Publication number: DE19928481B4
Application number: DE19928481A
Authority: DE
Inventors: Harald Tschentscher; Martin Eisenhardt
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1999-06-22
Filing date: 1999-06-22
Publication date: 2009-12-10
Anticipated expiration: 2019-06-23
Also published as: FR2800935B1; DE19928481A1; GB0014867D0; GB2352843B; GB2352843A; US6718273B1; IT1318014B1; ITMI20001318A0; JP2001025300A; FR2800935A1; ITMI20001318A1

Abstract

Verfahren zur Erzeugung von Stellgrößen USD_ref, USQ_ref für die Längs- bzw. Querspannung zur Darstellung des flußbildenden Stroms ID und des drehmomentbildenden Stroms IQ bei der feldorientierten Regelung von Drehfeldmaschinen unter Berücksichtigung des Ständerspannungsabfalls UQ_Ständer, UD_Ständer und der Hauptfeldspannung UHQ, UHD, wobei die Hauptfeldspannung UHQ, UHD auf der Grundlage von Sollgrößen der Ströme IQ, ID berechnet wird und der Ständerspannungsabfall UD_Ständer, UQ_Ständer auf der Grundlage von Sollgrößen der Ströme IQ, ID berechnet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Sollquerspannungskomponente UHQ_soll der Hauptfeldspannung nach der Formel UHQsoll = ω1·Φ, mit ω1 = ωmech + ω2, Φ = ∫(ISDsoll – IMRsoll)·RRot·dt, und ω2 = ISQsoll/ISDsoll/TRot ...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur vereinfachten feldorientierten Regelung von Asynchronmaschinen.
Die feldorientierte Regelung von Drehfeldmaschinen ist an sich bekannt. Sie ist beispielsweise in den Siemens Forschungs- und Entwicklungsberichten 1972, F. Blaschke, ”Das Verfahren der Feldorientierung zur Regelung der Asynchronmaschine”, S. 184 ff., oder im Fachbuch ”Control of Electrical Drives”, W. Leonhard, Springer Verlag, S. 214 bis 222, beschrieben. Bei der feldorientierten Regelung muß man sowohl die Amplitude des Ständerflußvektors, als auch seine Position in bezug auf den Rotorflußvektor zu jeder Zeit überwachen. Eine der Hauptaufgaben dabei ist die Entkoppelung der drehmomentbildenden Ströme (Querstrom IQ) und der flußbildenden Ströme (Längsstrom ID) voneinander. Ferner muß dafür gesorgt werden, daß diese Ströme in einem rotorbezogenen Koordinatensystem zu jedem Zeitpunkt rechtwinklig aufeinanderstehen. Das erfordert die Erfassung der Ständerströme des Drei-Phasen-Systems, deren Transformation in ein Koordinatensystem, das synchron mit dem Rotorfluß rotiert und deren Vergleich mit den Sollwertvorgaben für die flußbildende Komponente und die drehmomentbildende Komponente des Stromes. Die Beaufschlagung des Motors mit den neuen Strom-/Spannungswerten erfolgt nach der Berechnung und nach der Rücktransformation vom rotierenden Bezugssystem zum stationären Ständer-Koordinatensystem. Bei der feldorientierten Regelung erhält man ein konstantes Drehmoment auch über die Nenndrehzahl, eine verbesserte Geschwindigkeitskonstanz auch unter schwankenden Leistungsbedingungen, und im Vollastbetrieb einen hohen Wirkungsgrad.
Bei herkömmlichen Systemen zur feldorientierten Regelung von Asynchronmaschinen erweist sich jedoch der technische Aufwand zur Durchführung der Regelung als relativ hoch und kostenaufwendig.
Ein neues Anwendungsgebiet feldorientierter Regelungen sind beispielsweise Bordnetze von Kraftfahrzeugen. Zukünftige Bordnetze von Kraftfahrzeugen werden zum Teil deutlich höhere elektrische Leistungen als heutige Bordnetze aufweisen (beispielsweise 4 bis 6 Kilowatt). Diese Entwicklung ist insbesondere dann zu erwarten, wenn heute mechanisch angetriebene Nebenaggregate elektrifiziert werden. Derartig hohe Leistungen sind mit heutigen Klauenpolgeneratoren nicht darstellbar, da die Übertragung des Drehmomentes über den Keilriemen bei diesen hohen Leistungen kritisch wird. Insbesondere erweisen sich Drehmomentspitzen als kritisch, bei welchen es zu einem Durchrutschen des Keilriemens kommen kann.
Es bietet sich in diesem Zusammenhang an, umrichtergesteuerte Asynchronmaschinen einzusetzen,.
Aus der EP 0 121 792 B1 sind verschieden Steuerverfahren für eine Asynchronmotorsteuerung bekannt. Dabei wird beispielsweise auch eine stromsensorlose Asynchronmotorsteuerung in Statorkoordinaten beschrieben.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Vereinfachung herkömmlicher Systeme zur feldorientierten Regelung von Asynchronmaschinen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens ist eine gegenüber herkömmlichen Lösungen wesentlich aufwandsärmere feldorientierte Regelung von Asynchronmaschinen möglich.
Als besonders vorteilhaft bei einem Einsatz des Verfahrens gemäß Patentanspruch 1 erweist sich, daß eine separate Stromerfassung verzichtbar ist, und somit die Kosten von wenigstens zwei Stromwandlern eingespart werden können
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird, zusätzlich zu der Hauptfeldspannung, auch der Ständerspannungsabfall auf der Grundlage von Sollgrößen der drehmomentbildenden Ströme berechnet.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Sollquerspannungskomponente UHQ_soll der Hauptfeldspannung nach der Formel UHQsoll = ω1·Φ, mit ω1 = ωmech + ω2, Φ = ∫(ISDsoll – IMRsoll)·RRot·dt, und ω2 = ISQsoll/ISDsoll/TRot berechnet, wobei ω_mech die Kreisfrequenz der mechanischen Drehzahl der Drehstrommaschine, ω₂ die Rotorkreisfrequenz, ISQ_soll der Sollquerstrom, ISD_soll der Solllängsstrom, T_Rot die Rotorzeitkonstante, Φ der magnetische Fluß, IMR_soll der Sollmagnetisierungsstrom und R_Rot der Rotorwiderstand ist, und die Solllängsspannungskomponente UHD_soll der Hauptfeldspannung nach der Formel UHDsoll = (ISDsoll – IMRsoll)·RRot berechnet. Auf der Grundlage dieser Formeln ist eine besonders einfache Erzeugung der Stellgrößen zur Darstellung der Quer- und Längsströme möglich. Eine Erfassung der Istströme ist nicht mehr notwendig. Aus einer bei herkömmlichen Verfahren realisierten Regelung ist somit gewissermaßen eine Steuerung geworden, welche gegenüber herkömmlichen Verfahren ähnlich gute stationäre Eigenschaften aufweist. Die Genauigkeit der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren realisierbaren Steuerung ist um so besser, je genauer bekannt die einzelnen Maschinenparameter sind.
Es sei angemerkt, daß es sich als zweckmäßig erweist, bei einem Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens Halbleiterschalter mit Stromspiegeln zu verwenden, welche Kurzschlußströme eigenständig erfassen und sich damit selbst schützen können. Durch diese Maßnahme ist ein wirksamer Schutz vor eventuell auftretenden Überströmen zur Verfügung gestellt. Die Stromspiegel sind zweckmäßigerweise in Halbleiterschaltern integriert.
Das erfindungsgemäßen Verfahren wird nun anhand der beigefügten Zeichnung weiter erläutert. In dieser zeigt
1 ein Schaltbild zur schematischen Darstellung eines herkömmlichen Verfahrens zur Erzeugung von Stellgrößen zur Darstellung eines Längsstroms und eines drehmomentbildenden Stroms einer Asynchronmaschine,
2 ein Blockschaltbild zur schematischen Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
3 ein Schaltbild zur schematischen Darstellung einer herkömmlichen Steuerung eines Querstromreglers bei einer feldorientierten Regelung einer Asynchronmaschine, und
4 ein Schaltbild zur schematischen Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Eine herkömmliche feldorientierte Regelung einer Asynchronmaschine wird zunächst anhand der 1 dargestellt. Kern einer derartigen Regelung ist die entkoppelte Regelung von flußbildendem Strom (Längsstrom ID) und drehmomentbildenden Strom (Querstrom IQ). Entsprechende Stromregler, welche nicht im einzelnen dargestellt sind (Längsstromregler bzw. Querstromregler) haben am Eingang wie üblich die Differenz der Soll- und Istströme ISQ_ref, ISQ; ISD_ref, ISD anliegen. Am Ausgang der Regler bildet sich jeweils eine Stellgröße für die Längs- bzw. Querspannung, mittels welcher Längsstrom bzw. Querstrom einregelbar sind.
Den Reglern wird üblicherweise der Ständerspannungsabfall UQ_Ständer, UD_Ständer vorgesteuert, wie dies in 1 dargestellt ist. Die Regler sind dann entkoppelt und müssen nur noch die Hauptfeldspannung UHQ, UHD ausregeln.
Den für eine Regelung notwendigen magnetischen Fluß sowie die Rotorkreisfrequenz der Asynchronmaschine erhält man mit Hilfe des sogenannten Flußmodells, welches an sich bekannt ist und hier keiner weiteren Erläuterung bedarf. Sowohl das Flußmodell als auch der Ständerspannungsabfall werden üblicherweise mit den Istgrößen von Längsstrom und Querstrom berechnet. Zur Erfassung der Istströme werden jedoch relativ aufwendige Stromwandler benötigt, welche erfindungsgemäß vermieden werden sollen.
Das erfindungsgemäße Verfahren, mit welchem eine aufwandsarme feldorientierte Regelung von Asynchronmaschinen durchführbar ist, wobei insbesondere auf Stromwandler verzichtet werden kann, wird nun anhand der 2 erläutert. Gemäß diesem erfindungsgemäßen Verfahren werden die Stellgrößen USD_ref und USQ_ref für die Längs- und Querspannung ausschließlich auf der Grundlage von Sollgrößen der Ströme IQ, ID berechnet. In 2 erkennt man, daß gemäß dem dargestellten Verfahren dem Ständerspannungsabfall UQ_Ständer, UD_Ständer die jeweiligen Komponenten der Hauptfeldspannung, d. h. die Sollquerspannung UHQ_soll bzw. UHD_soll vorgesteuert werden.
Insgesamt sind daher die Stellgrößen für die Längs- und Querspannung USD_ref, USQ_ref nur mit Sollgrößen erzeugt bzw. darstellbar. Die Berechnungsverfahren bzw. Formeln, mit denen die Komponenten UHQ_soll und UHD_soll berechnet werden, wurden bereits in der Beschreibungseinleitung ausführlich erläutert.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird nun anhand der 3 und 4 weiter erläutert.
Zur entkoppelten Regelung von flußbildendem Strom (Längsstrom ID) und drehmomentbildendem Strom (Querstrom IQ) wird üblicherweise in dem bereits erwähnten Flußmodell die Rotorkreisfrequenz ω₂ sowie der Fluß der Asynchronmaschine ermittelt. Für ω₂ gilt:
ω₂ = IQ/ID/T_R, wobei T_R die Rotorzeitkonstante darstellt, für die gilt
T_R = L_H/R_Rot (L_H: Hauptinduktivität; R_Rot: Rotorwiderstand).
Der Rotorwiderstand R_Rot ist stark abhängig von der Rotortemperatur. Eine Messung dieser Temperatur ist aufwandsarm nicht möglich. Die Ständertemperatur ist verhältnismäßig einfach zu messen, kann jedoch stark von der Rotortemperatur abweichen. Bei herkömmlichen Verfahren wurde der Rotorwiderstand auf der Grundlage der Ständertemperatur ermittelt, was zu relativ großen Ungenauigkeiten bezüglich der Rotorkreisfrequenz ω₂ führte.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist nun ein Verfahren angegeben, mit dem der Einfluß der Temperatur auf die Rotorkreisfrequenz ω₂ berücksichtigt werden kann. Herkömmlicherweise wird einem Querstromregler R die Querkomponente des Spannungsabfalls am Ständer (UQ_Ständer) vorgesteuert, wie dies in 3 dargestellt ist. Am Ausgang des Reglers R erscheint dann die Querkomponente der Hauptfeldspannung, UHQ, welche sich gemäß den folgenden Gleichungen ergibt: UHQ = ω1·Φ,wobei ω₁ die Ständerkreisfrequenz, und Φ der auf der Grundlage des Flußmodells ermittelte Fluß der Asynchronmaschine ist, sowie ω1 = ωmech + ω2,wobei ω_mech die Kreisfrequenz der mechanischen Drehzahl des Rotors der Asynchronmaschine, und ω₂ die Rotorkreisfrequenz ist.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird jetzt zusätzlich zum Ständerspannungsabfall die Größe UHQ_MECH = (ω_mech·Φ) dem Querstromregler R vorgesteuert. Am Ausgang des Reglers erscheint jetzt die Größe UHQ_ω₂ = (ω₂·Φ). Die Rotorkreisfrequenz ω₂ ist nun mittels einfacher Division mit der Größe UHQ_ω₂ durch den Fluß Φ erhältlich. In diesem Wert von ω₂ ist der Temperatureinfluß bzw. die Temperaturabhängigkeit berücksichtigt.

Claims

Verfahren zur Erzeugung von Stellgrößen USD_ref, USQ_ref für die Längs- bzw. Querspannung zur Darstellung des flußbildenden Stroms ID und des drehmomentbildenden Stroms IQ bei der feldorientierten Regelung von Drehfeldmaschinen unter Berücksichtigung des Ständerspannungsabfalls UQ_Ständer, UD_Ständer und der Hauptfeldspannung UHQ, UHD, wobei die Hauptfeldspannung UHQ, UHD auf der Grundlage von Sollgrößen der Ströme IQ, ID berechnet wird und der Ständerspannungsabfall UD_Ständer, UQ_Ständer auf der Grundlage von Sollgrößen der Ströme IQ, ID berechnet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Sollquerspannungskomponente UHQ_soll der Hauptfeldspannung nach der Formel UHQsoll = ω1·Φ, mit ω1 = ωmech + ω2, Φ = ∫(ISDsoll – IMRsoll)·RRot·dt, und ω2 = ISQsoll/ISDsoll/TRot berechnet wird, wobei ω₁ die Ständerkreisfrequenz, ω_mech die Kreisfrequenz der mechanischen Drehzahl der Drehstrommaschine, ω₂ die Rotorkreisfrequenz, ISQ_soll der Sollquerstrom, ISD_soll der Solllängsstrom, T_Rot die Rotorzeitkonstante, Φ der magnetische Fluss, IMR_soll der Sollmagnetisierungsstrom und R_Rot der Rotorwiderstand ist, und die Solllängsspannungskomponente UHD_soll der Hauptfeldspannung nach der Formel UHDsoll = (ISDsoll – IMRsoll)·RRot berechnet wird.