DE3844847C2 - Einrichtung und Verfahren zur Totzeitkompensation für einen Drehstrommotor mit Pulswechselrichter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Totzeitkompensationseinrichtung und ein Verfahren zur Totzeitkompensation für einen Dreh­ strommotor mit Pulswechselrichter.

Bei einem System mit einer Wechselrichterhauptschaltung 1 für einen Drehstrommotor mit Parallelanschlüssen von Tran­ sistoren TR1 bis TR6 und sogenannten Freilauf-Dioden D1 bis D6 in Form einer Brückenschaltung wird allgemein eine Steuerung angewendet, die das Einschalten eines Transistors bezüglich des Ausschaltens eines anderen Transistors ge­ ringfügig um eine sogenannte Totzeit T_o verzögern, da bei­ spielsweise die beiden Transistoren TR1 und TR2 gleichzei­ tig auf Grund der Kommutierung durch den gleichen Brückenarm eingeschaltet werden, so daß sie in einen Kurzschlußzustand während der Kommutierungszeit versetzt wurden, wenn keine Einschaltverzögerung durchgeführt wird.

In der Vergangenheit wurden viele Methoden zur Totzeit-Kom­ pensation vorgeschlagen. Die EP 0 191 109 A1 offenbart eines dieser Verfahren, bei dem der Ausgangsstrom des Wech­ selrichters gemessen wird und die Ausgangsspannung des Wechselrichters in Abhängigkeit von der Richtung (Polari­ tät) des gemessenen momentanen Stroms kompensiert wird. Da jedoch die Wellenform des Ausgangsstromes des Wechselrich­ ters viele harmonische Komponenten, wie z. B. auf Grund der PWM-Spannungssteuerung enthält, war es schwierig, die Pola­ rität des Grundwellenstroms direkt zu bestimmen, insbeson­ dere bei einem Polarisationswechsel des Stromes. Das führte zu einer fehlerhaften Kompensation und stellte somit ein großes Problem dar. Man beachte in diesem Zusammenhang, daß eine 180° phasenverschobene Spannungskompensation einen Überlaststrom und damit Schwingungen des Motors bewirkt.

Hierbei ist zu beachten, daß der Ausgangsstrom auf Grund der PWM-Spannungssteuerung eine gewisse Welligkeit hat und daß sich damit die Polarität des Stromes in der Nähe eines Nulldurchganges des Grundwellenstroms häufig ändert. Dies bedeutet, daß sich die Polarität des Kompensationssignales häufig ändert, was zu weiterer Welligkeit des Ausgangs­ stroms führt, etc. Filter können hier insoweit keine Ver­ besserung bewirken, da sie automatisch eine Phasenverschie­ bung des Meßsignales erzeugen und damit die augenblickliche Phasenlage nicht mehr zugänglich ist.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Totzeit-Kompensa­ tionseinrichtung und ein Verfahren zur Totzeitkompensation zu schaffen, die eine genaue Totzeitkompensation ermögli­ chen, auch wenn der Ausgangsstrom des Wechselrichters eine gewisse Welligkeit, z. B. harmonische Komponente, aufweist.

Die Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Pa­ tentansprüche gelöst. Der abhängige Patentanspruch gibt eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung an.

Erfindungsgemäß weist die Totzeitkompensationseinrichtung für einen Drehstrommotor mit Pulswechselrichter, der mit eingeprägter Spannung gespeist wird, und dessen Einschalt­ signale um eine vorgegebene Totzeit T_o gegenüber den Aus­ schaltsignalen verzögert sind,

• - eine Einrichtung zur Ermittlung der Stromkompnenten I_1d, I_1q in einem feldsynchron umlaufenden Koordinatensystem aus den Stromistwerten auf, weiterhin
• - eine Einrichtung zur Ermittlung des Strom-Phasenwinkels Φ′ im feldsynchron umlaufenden Koordinatensystem aus den Stromkomponenten,
• - einen Summierer für den Strom-Phasenwinkel Φ′ und den Winkel Θ* des feldsynchron umlaufenden Koordinaten­ system,
• - eine Einrichtung, die die vorgegebene Totzeit T_o mit einem vom Summen-Phasenwinkel Φ′ + Θ* abhängigen Vor­ zeichen versieht und
• - einen Pulsbreitenmodulator, der die Totzeit T_o vorzei­ chenrichtig zu der Pulsbreite addiert.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform liest der Funk­ tionsgenerator den Summen-Phasenwinkel Φ′ + Θ* ein und ver­ sieht die Totzeit T_o mit einem Vorzeichen entsprechend dem Cosinus des Summen-Phasenwinkels Φ′ + Θ*.

Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Totzeitkompensa­ tion für einen Drehstrommotor mit Pulswechselrichter, der mit eingeprägter Spannung gespeist wird, und dessen Ein­ schaltsignale um eine vorgegebene Totzeit T_o gegenüber den Ausschaltsignalen verzögert sind, werden

• - die Stromkomponenten I_1d, I_1q in einem feldsynchron um­ laufenden Koordinatensystem aus den Stromistwerten er­ mittelt, weiterhin
• - der Strom-Phasenwinkel Φ′ im feldsynchron umlaufenden Koordinatensystem aus den Stromkomponenten ermittelt,
• - der Strom-Phasenwinkel Φ′ und der Winkel Θ* des feld­ synchron umlaufenden Koordinatensystems addiert,
• - ein Vorzeichen für die vorgegebene Totzeit T_o abhängig vom Summen-Phasenwinkel Φ′ + Θ* ermittelt und
• - die Totzeit T_o vorzeichenrichtig zu der Pulsbreite addiert.

Erfindungsgemäß werden somit zur Steuerung des Wechsel­ richters die drehmomenterzeugende Stromkomponente I_1q und die felderzeugende Komponente I_1d er­ mittelt, und zwar im an das umlaufende Feld gekoppelten (feldorientierten) Koordinatensystem. Der Strom-Phasenwinkel wird aus den beiden gemessenen Stromkomponenten I_1q und I_1d bestimmt, woraus dann weiter die Korrektur der Impulsbreite der Signale für den PWM-gesteuerten Wechselrichter abgeleitet wird. Dieses Verfahren ist deswegen sehr vorteilhaft, da sich der Phasenwinkel aus I_1d und I_1q und damit auch der Schlupf des Motors sehr genau bestimmen läßt. Weiterhin können die Stromkomponenten I_1q und I_1d über eine Koordi­ naten-Transformation des gemessenen Ausgangsstromes in ein an das rotierende Magnetfeld gekoppeltes Koordinatensystem ermittelt werden. Wenn der Grundwellenstrom (Fundamentalstrom) in die Gleichstromanteile I_1d und I_1q umgewandelt wird geht zwar die Welligkeit in die Komponenten I_1d und I_1q ein. Diese Komponenten können aber über ein Filter abgegriffen werden, wo­ durch der Gleichstromanteil von I_1d und I_1q nicht betroffen wird. Damit kann die Phasenlage des Ausgangsstroms ohne Beeinflussung durch die Welligkeit genau bestimmt werden.

Im folgenden werden beispielhafte Ausführungsformen der Er­ findung an Hand der beiliegenden Figuren näher erläutert: Es zeigt

Fig. 1 einen Schaltungsaufbau einer Wechselrichterschal­ tung,

Fig. 2 und 3 Darstellungen zum Erläutern der Betriebsweise der Wechselrichterschaltung gemäß Fig. 1,

Fig. 4 ein Schaltungsdiagramm einer Schaltungsanordnung zum Kompensieren des Einflusses eines Spannungsabfalls in der Wechselrichterausgangsspannung auf Grund der Tot­ zeit und

Fig. 5 und 6 Darstellungen zum Erläutern der Betriebsweise der Schaltung gemäß Fig. 4.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 2 wird nun die Einschaltver­ zögerung näher erläutert. Es sei angenommen, daß der Strom i_u in die Richtung fließt, die durch einen Pfeil in der Fig. 1 angezeigt ist, wobei die Transistoren TR1 und TR2 abwechselnd ein- und ausgeschaltet werden in Abhängigkeit von der PWM-Signalform, die durch Vergleich eines Steuer­ spannungssignales A und einer Dreieckswelle B erhalten wird. In diesem Fall wird ein Wechsel des negativen Potentials zu dem positiven Potential am Knotenpunkt x zwischen den Transistoren TR1 und TR2 gemäß Fig. 1 durch eine Zeitverzögerung T_d verzögert, die mit dem Einschalten des Transistors TR1 zusammenhängt. Die Zeitverzögerung wird als Totzeit T_o bezeichnet. Bei einem Wechsel vom positiven zum negativen Potential geht der Strom ohne Zeitverzögerung auf die Freilaufdiode über. Wenn umgekehrt der Strom i_u in die entgegengesetzte Richtung fließt, die durch den Pfeil gemäß Fig. 1 angezeigt ist, wird ein Wechsel des Potentials von der positiven Polarität zu der negativen Polarität am Knotenpunkt x um die Totzeit T_o des Transistors TR2 ver­ zögert. Dementsprechend werden bei der durch die dicken, durchgezogenen Linien gemäß Fig. 2(d) gezeigten gewünschten Signalform die schraffierten Flächen verloren (anteilig hinzugefügt), wodurch sich der in Fig. 2(f) gezeigte Signalverlauf ergibt. Der Verlust (oder die Zufügung) ent­ spricht der Addition einer pulsförmigen Differenz-Spannung mit der Pulsbreite T_D mit entgegengesetzter Polarität. Demgemäß wird die Ausgangsspannung des Wechselrichters um die puls­ förmige Differenzspannung abgesenkt.

Die pulsförmige Differenzspannung hat wie der Strom i_u eine Phasenvoreilung um den Winkel Φ′ in Bezug auf das Drehmagnetfeld gemäß Fig. 2(a). Der Winkel Φ′ wird durch den d-Achsenstrom I_d und dem q-Achsenstrom I_q gemäß Fig. 3 dargestellt. Wenn der Strom i_u positiv ist (oder eine Plus-Polarität hat), ist die pulsförmige Spannung negativ und umgekehrt.

Demgemäß wird in der vorliegenden Erfindung die Polarität (Phase) des Stroms i_u aus dem oben erwähnten Phasenwinkel Φ′ und dem Magnetflußphasenwinkel Θ* des rotierenden Magnetfeldes bestimmt und eine PWM-Signalform wird im voraus um den Betrag kom­ pensiert, der der Spannung entspricht, die wäh­ rend der Totzeit in Abhängigkeit von der Polarität des Stromes auftritt.

Fig. 4 zeigt das Blockschaltbild einer Totzeit- Stromkompensation entsprechend der vorliegenden Erfindung.

Wie in Fig. 4 zu sehen ist, ist ein Stromdetektor 4′ so ausgeführt, daß er den d-Achsen-Strom I_1d und den q-Achsen- Strom I_1q des Motorstromes mit Hilfe des Phasenwinkels Θ* des sich drehenden Magnetfeldkoordinatensystems erfaßt.

Da sich die Werte I_1q und I_1d durch Koordinaten-Transforma­ tion von einem festen Koordinatensystem in ein rotierendes Koordinatensystem ergeben, wobei der Phasenwinkel Θ* des Magnet­ flusses Φ_2d als Referenz entsprechend Gleichung 37 dient, sind diese Werte Grundwellenkomponenten des Ausgangs­ stromes und Gleichströme.

Aus diesen erfaßten Stromwerten I_1d, I_1q errechnet eine arithmetische Stromphaseneinheit 600 einen Winkel Φ′ (= arctan (I_1q/I_1d) ) zwischen dem Strom I₁ und der d-Achse (Fluß-Achse). Ein Addierer 670 addiert den Phasenwinkel Φ′ des Stromes und den Phasenwinkel Θ* des Drehmagnetfeldes, wonach das Ausgangssignal (Θ* + Φ′) des Addierers 670 als Phasenwinkel der Grundwellenkomponente des Ausgangsstromes des Wech­ selrichters dem Funktionsgenerator 680 zugeführt wird, der dann arithmetisch den Cosinus des Winkels (Θ* + Φ′) er­ mittelt, um ein Totzeitsignal +T_o zu erzeugen, wenn cos(Θ* + Φ′) positiv ist, wobei anderenfalls ein Totzeit­ signal -T_o erzeugt wird. Ein PWM-Signalformgenerator 690 kompensiert die Totzeit auf der Grundlage des Ausgangs­ signales des Funktionsgenerators 680. Diese Kompensations­ betriebsweise wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Fig. 5 erläutert.

Zunächst sei angenommen, daß keine Kompensation ausge­ führt wird. Ein Zeitpunkt t₃ wird betrachtet, zu dem ein Steuersignal A und ein dreieckförmiges Signal B einander schneiden. Wenn keine Kompensation ausgeführt wird, ändert sich die Spannung derart, daß deren Dauer sich bis zu einem Zeitpunkt t₄ auf Grund der Verzögerung entsprechend der Totzeit T_D erstreckt, wodurch die bei (c) in Fig. 5 gezeigte Signalform an Stelle der ge­ wünschten Signalform gemäß (b) entsteht. Nachfolgend wird der Falll betrachtet, daß eine Kompensation der Totzeit ausgeführt werden soll. Beispielsweise wird in dem Fall, in dem das Signal +T_o dem PWM-Signalform­ generator 690 von dem Funktionsgenerator 680 zugeführt wird, das Verarbeiten derartig ausgeführt, daß der Steuerimpuls um T_o vor den Zeitpunkt t₃ vorverlegt wird, zu dem die Steuerspannung A und das dreieckförmige Signal B einander schneiden. Das führt dazu, daß die Inverterausgangsspannung sich von einer negativen Polarität in eine positive Polarität zum Zeitpunkt t₃ ändert, wie dies bei (d) in Fig. 5 ge­ zeigt ist, da es sich mit der Verzögerung Td gegenüber dem Anstieg des PWM-Signales ändert. Als Ergebnis wird die gewünschte PWM-Signalform gemäß Fig. 5(b) erhalten.

Auf der Grundlage dieses Prinzipes führt der in Fig. 4 gezeigte PWM-Signalformgenerator 690 die folgende Ver­ arbeitung durch:
Wie in Fig. 6 gezeigt ist, wird eine PWM-Unterbre­ chungsverarbeitung mit Zeitintervallen der Abtast­ perioden T_c durch einen Taktgeber in einem Mikrocompu­ ter ausgeführt. Ein Spannungssollwert von beispielsweise V_v* wird bei jeder Unterbrechungsverarbeitung aufge­ nommen, um arithmetisch die Pulsbreite des PWM-Signales gemäß dem folgenden Ausdruck zu verarbeiten:

Hierbei gilt:
V_umax: Maximaler Wert des dreieckförmigen Signales

Durch Addieren des Signales von dem Funktionsgenerator 680 zu dem Wert Tu, der durch die obige Gleichung erhal­ ten wird, und durch Ausführen einer arithmetischen Operation gemäß der nachfolgenden Gleichung zum Erhalten einer neuen Pulsbreite T′u kann die Totzeitkompensation ausgeführt werden.

T′u = Tu ± To (2)

Man beachte, daß die Berechnung der PWM-Signalform entspre­ chend den erwähnten Verfahren nach EP 0 140 348 B1 durchge­ führt wird, wo weitere Details der Berechnung der PWM-Signal­ form offengelegt sind.

Daher kann mit der vorliegenden Erfindung die Phase des Grundwellenstroms vom Wechselrichter mit hoher Genauigkeit bestimmt werden, ohne daß andere harmonische Komponenten stö­ ren, so daß die Genauigkeit der Totzeit-Kompensation der Wechselrichter-Schalter 1 verbessert wird. Dabei hängt die Kompensation von dem Grundwellenphasenwinkel ab, was wiederum zu einer weiteren Stabilisierung der Steuerung beiträgt.

Es ist selbstverständlich, daß verschiedene Kombinationen der oben beschriebenen Anordnungen zum Realisieren von verschiedenen Typen von Steuersystemen vorgenommen werden können, ohne daß dies vom Grundgedanken und Konzept der vorliegenden Erfindung abweicht.

Claims (3)

1. Totzeitkompensationseinrichtung für einen Drehstrom­ motor (2) mit Pulswechselrichter (1), der mit einge­ prägter Spannung gespeist wird, und dessen Einschalt­ signale um eine vorgegebene Totzeit (T_o) gegenüber den Ausschaltsignalen verzögert sind, mit

• - einer Einrichtung (4′) zur Ermittlung der Stromkompo­ nenten (I_1d, I_1q) in einem feldsynchron umlaufenden Koordinatensystem aus den Stromistwerten,
• - einer Einrichtung (600) zur Ermittlung des Strom-Phasen­ winkels (Φ′) im feldsynchron umlaufenden Koordinaten­ system aus den Stromkomponenten,
• - einem Summierer für den Strom-Phasenwinkel (Φ′) und den Winkel (Θ*) des feldsynchron umlaufenden Koordi­ natensystems,
• - einer Einrichtung (680), die die vorgegebene Totzeit (T_o) mit einem vom Summen-Phasenwinkel (Φ′ + Θ*) ab­ hängigen Vorzeichen versieht und
• - einem Pulsbreitenmodulator (690), der die Totzeit (T_o) vorzeichenrichtig zu der Pulsbreite addiert.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, wobei der Funktionsgenera­ tor (680) den Summen-Phasenwinkel (Φ′ + Θ*) einliest und die Totzeit (T_o) mit einem Vorzeichen entsprechend dem Cosinus des Summen-Phasenwinkels (Φ′ + Θ*) versieht.

3. Verfahren zur Totzeitkompensation für einen Drehstrom­ motor (2) mit Pulswechselrichter (1), der mit einge­ prägter Spannung gespeist wird, und dessen Einschalt­ signale um eine vorgegebene Totzeit (T_o) gegenüber den Ausschaltsignalen verzögert sind, mit den folgenden Schritten:

• - Ermitteln der Stromkomponenten (I_1d, I_1q) in einem feldsynchron umlaufenden Koordinatensystem aus den Stromistwerten,
• - Ermitteln des Strom-Phasenwinkels (Φ′) im feld­ synchron umlaufenden Koordinatensystem aus den Strom­ komponenten,
• - Addieren des Strom-Phasenwinkels (Φ′) und des Winkels (Θ*) des feldsynchron umlaufenden Koordinatensystems,
• - Ermitteln eines Vorzeichens für die vorgegebene Tot­ zeit (T_o) abhängig vom Summen-Phasenwinkel (Φ′ + Θ*) und
• - Addieren der Totzeit (T_o) vorzeichenrichtig zu der Pulsbreite.