WO2012175243A2 - Bestimmung der läuferposition einer synchronmaschine - Google Patents

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Martin Braun
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Robert Bosch Gmbh
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    • H02P25/062—Linear motors of the induction type

Definitions

  • the invention relates to a method for determining the rotor position of a synchronous machine, a computer program, a computer-readable medium and a controller for a synchronous machine.
  • the rotor may be a rotor of a rotating synchronous machine.
  • the rotor position may be determined as accurately as possible at standstill and at low speeds in the speed range up to 10% of the rated speed. This allows an optimal start in the right direction of rotation, with the maximum desired torque and high efficiency can be achieved.
  • Synchronous machine the machine can also be preceded by an LC filter.
  • Voltage measurement may be due to the required potential separation be relatively complex between the machine and the signal evaluation circuit as well as due to strong jumping reference potentials (component and circuit complexity, EMC).
  • Synchronous machines use, which are fed directly by a pulse inverter without LC filter. These methods are usually only suitable for determining the rotor position at standstill and can normally only be extended with very large restrictions in the dynamics and accuracy for the low-speed range.
  • a first aspect of the invention relates to a method for determining the rotor position of a synchronous machine.
  • the synchronous machine can be a rotating or linear synchronous machine.
  • the method comprises the steps of: applying a first voltage pulse to the synchronous machine;
  • a rotor position can be calculated with the aid of a model of the synchronous machine.
  • Stator current measured and calculated, wherein the calculation of the stator current is due to a machine model. From the measured and
  • stator current (both measured and calculated) may include at least two components that are at least two
  • each stator current can therefore comprise at least two stator current components.
  • the machine model comprises a model of a device upstream of the synchronous machine.
  • Device may be, for example, a pulse inverter or an LC filter.
  • the method can be considered as compared to DE 10 2009 029 896 AI extended method that is suitable at least for determining the rotor position of rotating or linear synchronous machines.
  • the machine model comprises a model of the device arranged upstream of the synchronous machine
  • currents whose measured values are already present in the control of the synchronous machine can be included in the calculation of the rotor position.
  • a stream for example, the
  • Synchronous machine with pulse inverter usually a target voltage for the pulse inverter in the controller available, which can be used to calculate the rotor position. With these additional sizes already present in the controller, the stator voltage can then be calculated. A measurement of the stator voltage is no longer necessary.
  • Pulse inverter and the first and / or second measured stator current calculated.
  • Machine voltages (ie stator voltage) directly from the setpoint voltages of the pulse inverter using the measured anyway
  • Stator currents of the synchronous machine are calculated.
  • the real behavior of the pulse inverter is taken into account.
  • an output current from a pulse inverter is measured in front of an LC filter.
  • the first and / or second calculated stator current is then calculated from the output current of
  • Pulse inverter and the first and / or second measured stator current calculated.
  • measured output currents of the pulse-controlled inverter can be used to calculate the machine voltages
  • an AC current supplied to the synchronous machine is generated with a pulse inverter.
  • the machine model can include a model of the pulse-controlled inverter, which is designed to calculate an output voltage of the pulse-controlled inverter from a nominal output voltage of the pulse-controlled inverter.
  • the output target voltage is usually present in the controller if the system comprises a pulse-controlled inverter.
  • the alternating current supplied to a synchronous machine is filtered by an LC filter.
  • the machine model may then include a model of the LC filter configured to calculate a stator voltage from an input voltage or current and a measured stator current.
  • the method is applicable to a synchronous machine with or without an upstream LC filter. If an LC filter is present, the machine model can be extended with a model of the LC filter. However, the method is also applicable to synchronous machines without LC filter.
  • Synchronous machine designed to calculate an additional stator current from an input voltage and a measured stator current.
  • the further stator current indirectly provides information about the rotor position, since the position of the rotor influences the inductance of the coils in the synchronous machine. By comparing the measured stator current with the calculated stator current can then closed on the relative position of the phase windings and the permanent magnets in the rotor and thus of the stator and rotor.
  • the method can be used to determine the rotor position without a direct rotary encoder. The previously required
  • Voltage measurement can be omitted with the same accuracy of position detection.
  • the accuracy may be due to optional consideration of the
  • Output currents of the pulse inverter can be improved.
  • the method can be used with and without LC filter. Parameter variations of the machine and the LC filter can be corrected by means of tables. Due to a very fast measuring sequence, the control of the machine by the
  • Another aspect of the invention relates to a computer program that, when executed on a processor, directs the processor to perform the steps of the method as described above and below.
  • a controller of the synchronous machine or of the entire drive system may have a processor on which such a computer program is executed.
  • a further aspect of the invention relates to a computer-readable medium on which such a computer program is stored.
  • a computer-readable medium may be a floppy disk, a hard disk, a USB storage device, a RAM, a ROM, a FLASH or an EPROM.
  • a computer-readable medium may also be a data communication network, such as the Internet, that allows the download of program code.
  • a further aspect of the invention relates to a controller for a
  • Synchronous machine designed to perform the steps of the method as described above and below.
  • Fig. 1 shows schematically a drive system with a synchronous machine and its control according to an embodiment of the invention.
  • Fig. 2 shows an equivalent circuit diagram for a phase of the filter
  • FIG. 3 is a diagram showing the calculation of the rotor position according to an embodiment of the invention.
  • Fig. 4 shows a diagram with the temporal sequence of the voltage pulses according to an embodiment of the invention.
  • Fig. 5 shows a module for simulating the stator current according to a
  • Fig. 6 shows a module for simulating the synchronous machine according to an embodiment of the invention.
  • Fig. 7 shows a module for simulating the LC filter according to a
  • Fig. 8 shows a module for simulating the stator current according to another embodiment of the invention.
  • Fig. 9 shows a module for simulating the LC filter according to a
  • Fig. 10 shows a module for simulating the stator current according to another
  • EMBODIMENTS 1 schematically shows a drive system 10 for feeding a rotating or linear synchronous machine 12, which further comprises a pulse inverter 14, an optional LC output filter 16 and a controller 18.
  • Pulse inverter 14 receives a DC voltage U DC from a
  • Pulse inverter 14 then serves to drive the synchronous machine 12. For this purpose, a magnetic field is generated in the windings in the stator, which rotate a rotor 13 with permanent magnets.
  • the synchronous machine 12 has a rotor 13 which
  • the current position of the synchronous machine 12 or of the rotor 13 can be determined by the method as described above and below.
  • FIG. 2 shows an equivalent circuit diagram for the synchronous machine 12 and the LC filter 16. Only one of the three phases from FIG. 1 is shown.
  • the LC filter comprises an inductance L f and a capacitance C f .
  • the synchronous machine is modeled by an internal resistance R s and an inductance L s ph .
  • R s an internal resistance
  • L s ph an inductance
  • Fig. 3 is a diagram showing the calculation of the rotor position.
  • the entire calculation can be carried out in the controller 18 and implemented there either as a hardware module 19 or as a software module 19.
  • the module 19 comprises a submodule 20 for simulating (ie, modeling) the stator current i m ph *.
  • the module 20 may be considered as a model 20 of the drive system 10 modeled in the controller 18.
  • the module 19 comprises memory elements 22 which store and pass on a measured variable or a calculated quantity at a specific time, and a submodule 24 for calculating the rotor position. The method for calculating the rotor position executed with this module will be described in more detail below.
  • FIG. 4 shows a diagram with the time sequence of the voltage pulses which are generated during the method or a time sequence of the calculation of the rotor position.
  • a first voltage pulse is generated by the controller 28. This can be the
  • Control for example, the pulse inverter 14 switch accordingly.
  • a stator current i m ph is measured.
  • the simulation of simulated machine flows i m ph # with the submodule 20 also takes place from the measured machine flows and from simulated machine tensions by means of an idealized simulation of the synchronous machine.
  • a first measured stator current i m ph (t 2 ) is determined at a first time t 2 . This takes place via the corresponding memory element 22.
  • a first calculated stator current i m h # (t2) with the corresponding memory element 22 is also determined.
  • a first differential current space vector ⁇ i m h # (t2) is then formed by differentiating the two currents.
  • the currents are determined for at least two phases. Therefore, a space vector can also be formed from them.
  • the determination of measured and calculated stator currents takes place during a second measuring interval 32.
  • the calculation of simulated stator currents i m ph * with the module 20 takes place from the measured stator currents i m ph .
  • the measured currents i m ph (t 5 ) and calculated currents i m ph * (t5) at the second time t 5 are again determined via the corresponding memory elements 22.
  • the sought-after rotor position is then calculated using a linear combination of the determined differential current space vectors ⁇ i m h # (t 2 ), ⁇ i m h # (t 5 ). This can be done, for example, by solving a system of equations that the structure of the synchronous machine and in particular of the coils and
  • the method is fully functional as described in DE 10 2009 029 896 AI. If the periods t 2 - to and t 5 - 1 3 chosen as small as possible (the synchronous machine 12 should be saturated due to the voltage pulses in the magnetic circuit), the control of the stator current is essentially not affected and can be without stopping at a standstill and continue at low speeds.
  • FIG. 5 shows an embodiment of a module 20a for simulating the
  • the module comprises a submodule 34 for simulating the PWM inverter 14, a submodule 36 for simulating the LC filter 16 and a submodule 38 for simulating the synchronous machine 12.
  • the module 34 receives a nominal output voltage u p , which in a
  • Output voltage u p h * is converted.
  • the calculation of the simulated output voltages u p h * of the pulse-controlled inverter 14 takes place via an idealized simulation of the electrical properties of the pulse-controlled inverter
  • the necessary locking times, the switching dead times and the signal propagation times are taken into account.
  • the input variables are the
  • FIG. 6 shows a module 38 for simulating the synchronous machine 12 as it could be used in the module 20a of Fig. 5.
  • an internal resistance member 40 is modeled that generates a voltage from the measured stator current i m ph . From this tension and that of the calculated
  • FIG. 7 shows a module 36 for replicating the LC filter 16 as it could be used in the module 20a of FIG. From the calculated
  • Output voltage u p h * and a calculated machine voltage u m h * is a difference formed by a first integrator 44, the
  • Inductance L f is modeled, summed to a current i p h *. With this current i p h * and the measured current i m h , a difference is formed which is used by a second integrator 46, which models the capacitance C f
  • Machine voltage u m h * is added.
  • the machine voltage u m h * enters the difference formed before the integrator 44 via a feedback loop.
  • the input variables of the module 36 are the measured machine currents i m h and the simulated output voltages u p h * of the pulse-controlled inverter.
  • FIG. 8 shows a further embodiment of a module 20b for simulating the stator current i m h *.
  • the module comprises a submodule 50 for simulating the LC
  • the module 38 may be constructed according to FIG. Because in one
  • FIG. 9 shows a module 50 for simulating the LC filter 16 as it could be used in the module 20b of FIG. Since, in the embodiment of FIG. 8, the measured output current i p ph is present in the system at the pulse-controlled inverter 14, in contrast to the module 36 from FIG. 7, it does not have to be calculated.
  • the module 50 can thus be regarded as the second part of the module 36.
  • the simulation of the machine voltages u m ph * can thus be carried out directly from the measured output currents i p ph of the pulse inverter 14 and the measured machine currents i m ph .
  • the module 10 shows a further embodiment of a module 20c for simulating the stator current i m ph *.
  • the module comprises a submodule 34 for simulating the PWM inverter 14 and a submodule 38 for simulating the
  • the module 38 may be constructed according to FIG. In a drive system 10 without LC filter 16, the method can be simplified by replicating the machine currents i m ph * directly from the setpoint voltages u p ph * of the pulse inverter 14 and the measured machine currents i m ph .

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Control Of Ac Motors In General (AREA)
  • Control Of Motors That Do Not Use Commutators (AREA)

Abstract

Bei der Bestimmung der Läuferposition einer Synchronmaschine (12) werden die folgenden Schritte ausgeführt: Beaufschlagen der Synchronmaschine (12) mit einem ersten Spannungspuls; Messung eines ersten gemessenen Statorstroms zu einem ersten Zeitpunkt t2; Berechnung eines ersten berechneten Statorstroms im ph# mit einem Maschinenmodell (20) das ein Modell (38) der Synchronmaschine (12) umfasst; Berechnen eines ersten Differenzstromraumvektors Δ im ph# aus dem ersten gemessenen Statorstrom und dem ersten berechneten Statorstrom; Messung eines zweiten gemessenen Statorstroms im ph zu einem zweiten Zeitpunkt t5; Berechnung eines zweiten berechneten Statorstroms (im ph#) mit dem Maschinenmodell (20); Berechnen eines zweiten Differenzstromraumvektors Δim ph# aus dem zweiten gemessenen Statorstrom und dem zweiten berechneten Statorstrom; Ermitteln der Läuferposition aus dem ersten Differenzstromraumvektor und dem zweiten Differenzstromraumvektor. Das Maschinenmodell umfasst dabei ein Modell einer der Synchronmaschine (12) vorgeschalteten Vorrichtung.

Description

Beschreibung
Titel
Bestimmung der Läuferposition einer Synchronmaschine GEBI ET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Läuferposition einer Synchronmachine, ein Computerprogramm, ein computerlesbares Medium und eine Steuerung für eine Synchronmaschine.
HINTERGRU ND DER ERFINDUNG
Zur feldorientierten Strom- und Drehzahlregelung einer rotierenden oder linearen Synchronmaschine ist die Kenntnis der Läuferposition und der Drehzahl in der Regel erforderlich. Beispielsweise kann der Läufer ein Rotor einer rotierenden Synchronmaschine sein. Hierbei kann es insbesondere erforderlich sein, dass die Läuferposition im Stillstand und bei kleinen Drehzahlen im Drehzahlbereich bis 10% der Nenndrehzahl möglichst präzise ermittelt wird. Dadurch kann ein optimales Anfahren in die richtige Drehrichtung, mit dem maximal gewünschten Drehmoment und ein hoher Wirkungsgrad erzielt werden.
Zur Vermeidung von Wärme Verlusten in der rotierenden oder linearen
Synchronmaschine kann der Maschine zusätzlich ein LC- Filter vorgeschaltet werden.
Zur Bestimmung der Läuferposition werden bisher direkte Geber (mechanisch, optisch, magnetisch) eingesetzt, welche teuer und störanfällig sein können sowie entsprechenden Bauraum benötigen können. Alternativ sind Verfahren bekannt, die auf einen direkten Geber verzichten. Ein solches Verfahren ist beispielsweise in der DE 10 2009 029 896 AI beschrieben. Dieses Verfahren benötigt eine Messung der Spannungen am Eingang der Maschine. Eine solche
Spannungsmessung kann aufgrund der erforderlichen Potentialtrennung zwischen der Maschine und der Signalauswerteschaltung sowie aufgrund von stark springenden Bezugspotentialen relativ aufwändig sein (Bauteil- und Schaltungsaufwand, EMV).
Weitere bekannte Verfahren (z. B. WO 92/19038) lassen sich nur für
Synchronmaschinen einsetzen, welche direkt durch einen Pulswechselrichter ohne LC-Filter gespeist werden. Diese Verfahren sind in der Regel nur für die Ermittlung der Läuferposition im Stillstand geeignet und können normalerweise nur mit sehr großen Einschränkungen in der Dynamik und der Genauigkeit für den Bereich kleiner Drehzahlen erweitert werden.
ZUSAMM ENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist Aufgabe der Erfindung die Läuferposition einer Synchronmaschine ohne Zuhilfenahme einer Spannungsmessung zu ermitteln.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Weitere Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und aus der folgenden Beschreibung.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Läuferposition einer Synchronmachine. Die Synchronmaschine kann dabei eine rotierende oder lineare Synchronmaschine sein.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das Verfahren die Schritte: Beaufschlagen der Synchronmaschine mit einem ersten Spannungspuls;
Messung eines ersten gemessenen Statorstroms zu einem ersten Zeitpunkt; Berechnung eines ersten berechneten Statorstroms mit einem Maschinenmodell, das ein Modell der Synchronmaschine umfasst; Berechnen eines ersten
Differenzstromraumvektors aus dem ersten gemessenen Statorstrom und dem ersten berechneten Statorstrom; Messung eines zweiten gemessenen
Statorstroms zu einem zweiten Zeitpunkt; Berechnung eines zweiten
berechneten Statorstroms mit dem Maschinenmodell; Berechnen eines zweiten Differenzstromraumvektors aus dem zweiten gemessenen Statorstrom und dem zweiten berechneten Statorstrom; und Ermitteln der Läuferposition aus dem ersten Differenzstromraumvektor und dem zweiten Differenzstromraumvektor. So kann wie in der DE 10 2009 029 896 AI beschrieben, eine Läuferposition unter Zuhilfenahme eines Modells der Synchronmaschine berechnet werden.
Mit anderen Worten werden der Synchronmaschine zwei alternierende
Spannungspulse aufgeschaltet. Nach beiden Spannungspulsen wird jeweils ein
Statorstrom gemessen und berechnet, wobei die Berechnung des Statorstroms aufgrund eines Maschinenmodells erfolgt. Aus den gemessenen und
berechneten Strömen wird dann die aktuelle Position des Läufers ermittelt. Es ist zu verstehen, dass der (sowohl der gemessene als auch der berechnete) Statorstrom wenigstens zwei Komponenten umfassen kann, die wenigstens zwei
Phasen des Systems zugeordnet sind. Im Prinzip kann jeder Statorstrom also wenigstens zwei Statorstromkomponenten umfassen.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das Maschinenmodell ein Modell einer der Synchronmaschine vorgeschalteten Vorrichtung. Diese
Vorrichtung kann beispielsweise ein Pulswechselrichter oder ein LC- Filter sein. Damit kann das Verfahren als gegenüber der DE 10 2009 029 896 AI erweitertes Verfahren aufgefasst werden, dass mindestens zur Bestimmung der Läuferposition von rotierenden oder linearen Synchronmaschinen geeignet ist.
Dadurch, dass das Maschinenmodell ein Modell der der Synchronmaschine vorgeschalteten Vorrichtung umfasst, können Ströme, deren Messwerte bereits in der Steuerung der Synchronmaschine vorliegen, in die Berechnung der Läuferposition einfließen. Ein derartiger Strom, kann beispielsweise der
Ausgangsstrom des Pulswechselrichters sein. Weiter ist bei einer
Synchronmaschine mit Pulswechselrichter in der Regel eine Sollspannung für den Pulswechselrichter in der Steuerung vorhanden, die zur Berechnung der Läuferposition verwendet werden kann. Mit diesen zusätzlichen bereits in der Steuerung vorhandenen Größen, kann dann die Statorspannung berechnet werden. Eine Messung der Statorspannung ist nicht mehr notwendig.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird der erste und/oder zweite berechnete Statorstrom aus einer Ausgangssollspannung eines
Pulswechselrichters und dem ersten und/oder zweitem gemessenen Statorstrom berechnet. Damit kann die für das Verfahren erforderlichen
Maschinenspannungen (d.h. Statorspannung) direkt aus den Sollspannungen des Pulswechselrichters unter Zuhilfenahme der ohnehin gemessenen
Statorströme der Synchronmaschine berechnet werden. Dabei wird in der Regel das reale Verhalten des Pulswechselrichters berücksichtigt.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird ein Ausgangsstrom aus einem Pulswechselrichter vor einem LC- Filter gemessen. Der erste und/oder zweite berechnete Statorstrom wird dann aus dem Ausgangsstrom des
Pulswechselrichters und dem ersten und/oder zweitem gemessenen Statorstrom berechnet. Mit anderen Worten können ohnehin gemessene Ausgangsströme des Pulswechselrichters zur Berechnung der Maschinenspannungen
herangezogen werden.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird ein der Synchronmaschine zugeführter Wechselstrom mit einem Pulswechselrichter erzeugt. Das
Maschinenmodell kann in diesem Fall ein Modell des Pulswechselrichters umfassen, das dazu ausgeführt ist aus einer Ausgangssollspannung des Pulswechselrichters eine Ausgangsspannung des Pulswechselrichters zu berechnen. Wie bereits gesagt, ist die Ausgangssollspannung in der Regel in der Steuerung vorhanden, wenn das System einen Pulswechselrichter umfasst.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird der einer Synchronmaschine zugeführte Wechselstrom durch ein LC- Filter gefiltert. Das Maschinenmodell kann dann ein Modell des LC- Filters umfassen, das dazu ausgeführt ist, aus einer Eingangsspannung oder einem Eingangsstrom und einem gemessenen Statorstrom eine Statorspannung zu berechnen. Das Verfahren ist auf eine Synchronmaschine mit oder ohne vorgeschaltetes LC- Filter anwendbar. Ist ein LC- Filter vorhanden, kann das Maschinenmodell mit einem Modell des LC- Filters erweitert werden. Allerdings ist das Verfahren auch auf Synchronmaschinen ohne LC-Filter anwendbar.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist das Modell der
Synchronmaschine dazu ausgeführt, aus einer Eingangsspannung und einem gemessenem Statorstrom einen weiteren Statorstrom zu berechnen. Der weitere Statorstrom gibt indirekt Auskunft über die Läuferposition, da die Position des Läufers die Induktivität der Spulen in der Synchronmaschine beeinflusst. Durch Vergleich des gemessenen Statorstroms mit dem berechneten Statorstrom kann dann auf die Relativstellung der Phasenwicklungen und der Permanentmagnete im Läufer und damit von Stator und Läufer geschlossen werden.
Zusammenfassend kann mit dem Verfahren die Läuferposition ohne einen direkten Drehgeber bestimmt werden. Die bisher erforderliche
Spannungsmessung kann bei derselben Genauigkeit der Positionsermittlung wegfallen. Die Genauigkeit kann durch optionale Berücksichtigung der
Ausgangsströme des Pulswechselrichters verbessert werden. Das Verfahren ist mit und ohne LC- Filter einsetzbar. Parametervariationen der Maschine und des LC-Filters können durch Tabellen korrigiert werden. Aufgrund einer sehr schnellen Messabfolge wird die Regelung der Maschine durch die
Positionsbestimmung nicht notwendigerweise beeinflusst.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Computerprogramm, das, wenn es auf einem Prozessor ausgeführt wird, den Prozessor anleitet, die Schritte des Verfahrens, so wie es obenstehend und untenstehend beschrieben ist, auszuführen. Beispielsweise kann eine Steuerung der Synchronmaschine bzw. des gesamten Antriebssystems einen Prozessor aufweisen, auf dem ein derartiges Computerprogramm ausgeführt wird.
Ein weiter Aspekt der Erfindung betrifft ein computerlesbares Medium, auf dem ein derartiges Computerprogramm gespeichert ist. Ein computerlesbares Medium kann dabei eine Diskette, eine Harddisk, ein USB-Speichergerät, ein RAM, ein ROM, ein FLASH oder ein EPROM sein. Ein computerlesbares Medium kann auch ein Datenkommunikations- Netzwerk, wie beispielsweise das Internet, das den Download eines Programmcodes ermöglicht, sein.
Ein weiter Aspekt der Erfindung betrifft eine Steuerung für eine
Synchronmaschine, die dazu ausgeführt ist, die Schritte des Verfahrens, so wie es obenstehend und untenstehend beschrieben ist ist, durchzuführen.
Es ist zu verstehen, dass das Verfahren auch vollständig oder zumindest teilweise in Hardware umgesetzt werden kann.
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung mit Bezug auf die beiliegenden Figuren detailliert beschrieben. KU RZE BESCHREIBU NG DER FIGU REN
Fig. 1 zeigt schematisch ein Antriebssystem mit einer Synchronmaschine und deren Steuerung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 2 zeigt ein Ersatzschaltbild für eine Phase des Filters und der
Synchronmaschine aus der Fig. 1.
Fig. 3 zeigt ein Diagramm, dass die Berechnung der Läuferposition gemäß einer Ausführungsform der Erfindung darstellt.
Fig. 4 zeigt ein Diagramm mit der zeitlichen Abfolge der Spannungspulse gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Fig. 5 zeigt ein Modul zur Nachbildung des Statorstroms gemäß einer
Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 6 zeigt ein Modul zur Nachbildung der Synchronmaschine gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 7 zeigt ein Modul zur Nachbildung des LC-Filters gemäß einer
Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 8 zeigt ein Modul zur Nachbildung des Statorstroms gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 9 zeigt ein Modul zur Nachbildung des LC-Filters gemäß einer
Ausführungsform der Erfindung. Fig. 10 zeigt ein Modul zur Nachbildung des Statorstroms gemäß einer weiteren
Ausführungsform der Erfindung.
Grundsätzlich sind identische oder ähnliche Teile mit den gleichen
Bezugszeichen versehen.
DETAILIERTE BESCHREIBU NG VON AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN Fig. 1 zeigt schematisch ein Antriebssystem 10 zur Speisung einer rotierenden oder linearen Synchronmaschine 12, die weiter einen Pulswechselrichter 14, ein optionales LC-Ausgangsfilter 16 und eine Steuerung 18 umfasst. Der
Pulswechselrichter 14 empfängt eine Gleichspannung UDC aus einem
Hochspannungsnetz erzeugt daraus aufgrund von Steuerbefehlen aus der Steuerung 18 einen dreiphasigen Wechselstrom ipi, ip2, iP3, der durch den LC- Ausgangsfilter 16 in einen gefilterten Wechselstrom imi, im2, im3 umgewandelt wird. Der gefilterte Wechselstrom bzw. der Wechselstrom aus dem
Pulswechselrichter 14 dient dann zum Antrieb der Synchronmaschine 12. Dazu wird in den Wicklungen im Stator ein Magnetfeld erzeugt, die einen Rotor 13 mit Permanentmagneten rotieren lassen.
Im Allgemeinen hat die Synchronmaschine 12 einen Läufer 13, der
unterschiedliche Stellungen, im vorliegenden Fall beispielsweise verschiedene Winkelstellungen, einnehmen kann. Die aktuelle Stellung der Synchronmaschine 12 bzw. des Läufers 13 kann mit dem Verfahren, so wie es obenstehend und untenstehend beschrieben ist, bestimmt werden.
Fig. 2 zeigt ein Ersatzschaltbild für die Synchronmaschine 12 und das LC- Filter 16. Es ist lediglich eine der drei Phasen aus Fig. 1 dargestellt. Der LC- Filter umfasst eine Induktivität Lf und eine Kapazität Cf. Die Synchronmaschine wird durch einen Innenwiderstand Rs und eine Induktivität Ls ph modelliert. Ein Strich unter den Symbolen für Spannung und Strom deutet an, dass diese Größen Raumvektoren sind, d.h. für jede Phase eine Komponente umfassen. Außerdem ist zu verstehen, dass die folgende Berechnung nicht nur für eine Phase sondern für mindestens zwei Phasen durchgeführt wird.
Fig. 3 zeigt ein Diagramm, dass die Berechnung der Läuferposition darstellt. Die gesamte Berechnung kann in der Steuerung 18 durchgeführt werden und dort entweder als Hardwaremodul 19 oder als Softwaremodul 19 umgesetzt sein. Das Modul 19 umfasst ein Submodul 20 zur Nachbildung (d.h. Modellierung) des Statorstroms im ph*. Das Modul 20 kann als Modell 20 des Antriebssystems 10 aufgefasst werden, das in der Steuerung 18 modelliert ist. Weiter umfasst das Modul 19 Speicherglieder 22, die eine Messgröße bzw. eine berechnete Größe zu einem bestimmten Zeitpunkt speichern und weitergeben und ein Submodul 24 zur Berechnung der Läuferposition. Das mit diesem Modul ausgeführte Verfahren zur Berechnung der Läuferposition wird weiter unten noch einmal genauer beschrieben.
Fig. 4 zeigt ein Diagramm mit der zeitlichen Abfolge der Spannungspulse, die während des Verfahrens erzeugt werden, bzw. einen zeitlicher Ablauf der Berechnung der Läuferposition.
In einem ersten Impulsintervall 26 zwischen den Zeitpunkten to und ti wird ein erster Spannungsimpuls durch die Steuerung 28 erzeugt. Dazu kann die
Steuerung beispielsweise den Pulswechselrichter 14 entsprechend schalten. Die Synchronmaschine 12 kann mit einem ersten Spannungsimpuls zum Zeitpunkt t = to der Dauer ti - to beaufschlagt werden.
In einem ersten Messintervall 28 zwischen t0 und t2 wird der Statorstrom im ph gemessen. In dem ersten Messintervall 28 erfolgt auch die Berechnung von nachgebildeten Maschinenströmen im ph# mit dem Submodul 20 aus den gemessenen Maschinenströmen und aus nachgebildeten Maschinenspannungen mithilfe einer idealisierten Nachbildung der Synchronmaschine.
Anschließend erfolgt die Messung der Maschinenströme in mindestens zwei der Phasen zu einem Zeitpunkt t = t2 > to- Ein ersten gemessener Statorstroms im ph(t2) wird zu einem ersten Zeitpunkt t2 ermittelt. Dies erfolgt über das entsprechende Speicherglied 22.
Zu dem Zeitpunkt t2 wird auch ein ersten berechneten Statorstroms im h#(t2) mit dem entsprechenden Speicherglied 22 ermittelt.
Aus dem ersten gemessenen Statorstrom im h(t2) und dem ersten berechneten Statorstrom im h#(t2) wird dann ein erster Differenzstromraumvektor Δ im h#(t2) durch Differenzenbildung der beiden Ströme gebildet. Wie bereits erwähnt, werden die Ströme für wenigstens zwei Phasen ermittelt. Daher kann auch ein Raumvektor aus ihnen gebildet werden.
Analog erfolgt die Ermittlung von gemessenen und berechneten Statorströmen während eines zweiten Messintervalls 32. Zum Zeitpunkt t = t3 > t2 wird die Synchronmaschine 12 mit einem zweiten Spannungsimpuls der Dauer während eines zweiten Impulsintervalls 30 beaufschlagt. Dieser sollte gegenüber dem ersten Spannungsimpuls um mehr als +/- 90° verdreht sein, so dass die Läuferposition am Schluss eindeutig berechnet werden kann.
Anschließend erfolgt wieder die Messung der Statorströme im ph in mindestens zwei der Phasen zu einem Zeitpunkt t = t5 > t3. Während der gesamten Zeitdauer t5— Ϊ3 erfolgt die Berechnung von nachgebildeten Statorströmen im ph* mit dem Modul 20 aus den gemessenen Statorströmen im ph. Die gemessenen Ströme im ph(t5) und berechneten Ströme im ph*(t5) zum zweiten Zeitpunkt t5 werden wieder über die entsprechenden Speicherglieder 22 ermittelt.
Es folgt die Berechnung eines zweiten Differenzstromraumvektors Δ im ph#( t5) durch Bilden der Differenz zwischen dem gemessenen Statorströmen im ph(t5) und den nachgebildeten Statorströmen im ph*(t5) zum Zeitpunkt t = t5 > 3.
Die gesuchte Läuferposition wird anschließend mithilfe einer Linearkombination aus den ermittelten Differenzstromraumzeigern Δ im h#( t2), Δ im h#( t5) berechnet. Dies kann beispielsweise durch Lösen eines Gleichungssystems, dass den Aufbau der Synchronmaschine und insbesondere der Spulen und
Permanentmagnete wiederspiegelt geschehen. Es ist aber auch möglich, dass mithilfe einer Tabelle aus den Linearkombinationen eine Läuferposition ermittelt wird.
Besonders im Bereich kleiner Drehzahlen ist das Verfahren wie in DE 10 2009 029 896 AI beschrieben uneingeschränkt funktionsfähig. Werden die Zeitdauern t2 - to und t5 - 13 so klein wie möglich gewählt (wobei die Synchronmaschine 12 aufgrund der Spannungsimpulse im magnetischen Kreis gesättigt werden sollte), so wird die Regelung des Statorstroms im Wesentlichen nicht beeinflusst und kann ohne Unterbrechung im Stillstand und bei kleinen Drehzahlen fortgeführt werden.
Fig. 5 zeigt eine Ausführungsform eines Modul 20a zur Nachbildung des
Statorstroms im ph*. Das Modul umfasst ein Submodul 34 zur Nachbildung des Pulswechselrichters 14, ein Submodul 36 zur Nachbildung des LC- Filters 16 und ein Submodul 38 zur Nachbildung der Synchronmaschine 12. Das Modul 34 erhält eine Ausgangssollspannung up , die in eine
Ausgangsspannung up h* umgerechnet wird. Die Berechnung der nachgebildeten Ausgangsspannungen up h* des Pulswechselrichters 14 erfolgt über eine idealisierte Nachbildung der elektrischen Eigenschaften des Pulswechselrichters
14. Dabei werden die notwendigen Verriegelungszeiten, die Schalttotzeiten und die Signallaufzeiten berücksichtigt. Die Eingangsgrößen sind die
Ausgangssollspannungen up h* des Pulswechselrichters. Fig. 6 zeigt ein Modul 38 zur Nachbildung der Synchronmaschine 12, so wie es in dem Modul 20a der Fig. 5 verwendet werden könnte. Im Modul 38 ist ein Innenwiderstandsglied 40 modelliert, dass aus dem gemessenen Statorstrom im ph eine Spannung erzeugt. Aus dieser Spannung und der der berechneten
Spannung um h* wird eine Differenz gebildet, die vom Integrierglied 42 zum berechneten Statorstrom im h* aufsummiert wird.
Fig. 7 zeigt ein Modul 36 zur Nachbildung des LC-Filters 16, so wie es in dem Modul 20a der Fig. 5 verwendet werden könnte. Aus der berechneten
Ausgangsspannung up h* und einer berechneten Maschinenspannung um h* wird eine Differenz gebildet, die von einem ersten Integrierglied 44, das die
Induktivität Lf modelliert, zu einem Strom ip h* aufsummiert wird. Mit diesem Strom ip h* und dem gemessenen Strom im h wird eine Differenz gebildet, die von einem zweiten Integrierglied 46, das die Kapazität Cf modelliert, zur
Maschinenspannung um h* aufsummiert wird. Die Maschinenspannung um h* geht über eine Rückkopplungsschleife in die vor dem Integrator 44 gebildete Differenz ein. Die Eingangsgrößen des Moduls 36 sind die gemessenen Maschinenströme im h und die nachgebildeten Ausgangsspannungen up h* des Pulswechselrichters.
Fig. 8 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Moduls 20b zur Nachbildung des Statorstroms im h*. Das Modul umfasst ein Submodul 50 zur Nachbildung des LC-
Filters 16 und ein Submodul 38 zur Nachbildung der Synchronmaschine 12. Das Modul 38 kann entsprechend der Fig. 6 aufgebaut sein. Da in einem
Antriebssystem 10 mit LC- Filter 16 zur Verbesserung der Statorstromregelung häufig die Ausgangsströme ip h des Pulswechselrichters 14 messtechnisch erfasst werden, können diese Größen in das Verfahren einfließen. Stehen diese Ströme ip p der Steuerung 18 zur Verfügung, so kann das Verfahren auf diese Weise vereinfacht werden.
Fig. 9 zeigt ein Modul 50 zur Nachbildung des LC-Filters 16, so wie es in dem Modul 20b der Fig. 8 verwendet werden könnte. Da bei der Ausführungsform der Fig. 8 der gemessene Ausgangstrom ip ph am Pulswechselrichter 14 im System vorhanden ist, muss er im Gegensatz zum Modul 36 aus der Fig. 7 nicht berechnet werden. Das Modul 50 kann damit als zweiter Teil des Moduls 36 aufgefasst werden. Die Nachbildung der Maschinenspannungen um ph* kann somit direkt aus den gemessenen Ausgangsströmen ip ph des Pulswechselrichters 14 und den gemessenen Maschinenströmen im ph erfolgen.
Fig. 10 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Moduls 20c zur Nachbildung des Statorstroms im ph*. Das Modul umfasst ein Submodul 34 zur Nachbildung des Pulswechselrichters 14 und ein Submodul 38 zur Nachbildung der
Synchronmaschine 12. Das Modul 38 kann entsprechend der Fig. 6 aufgebaut sein. In einem Antriebssysteme 10 ohne LC- Filter 16 kann das Verfahren dadurch vereinfacht werden, dass die Nachbildung der Maschinenströme im ph* direkt aus den Sollspannungen up ph* des Pulswechselrichters 14 und den gemessenen Maschinenströmen im ph erfolgt.
Ergänzend ist darauf hinzuweisen, dass„umfassend" keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und„eine" oder„ein" keine Vielzahl ausschließt. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer oben beschriebener
Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den
Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.

Claims

Ansprüche
1 . Verfahren zur Bestimmung der Läuferposition einer Synchronmachine (12), umfassend die Schritte:
Beaufschlagen der Synchronmaschine (12) mit einem ersten Spannungspuls (26);
Messung eines ersten gemessenen Statorstroms (im h) zu einem ersten Zeitpunkt (t2);
Berechnung eines ersten berechneten Statorstroms (im h#) mit einem
Maschinenmodell (20, 20a, 20b, 20c), das ein Modell (38) der
Synchronmaschine (12) umfasst;
Berechnen eines ersten Differenzstromraumvektors (Δ im ph#) aus dem ersten gemessenen Statorstrom und dem ersten berechneten Statorstrom;
Messung eines zweiten gemessenen Statorstroms (im h) zu einem zweiten
Zeitpunkt (t5);
Berechnung eines zweiten berechneten Statorstroms (im h#) mit dem
Maschinenmodell (20, 20a, 20b, 20c);
Berechnen eines zweiten Differenzstromraumvektors (Δ im ph#) aus dem zweiten gemessene Statorstrom und dem zweiten berechneten Statorstrom;
Ermitteln der Läuferposition aus dem ersten Differenzstromraumvektor und dem zweiten Differenzstrom raumvektor;
dadurch gekennzeichnet, dass
das Maschinenmodell ein Modell (34, 36, 50) einer der Synchronmaschine (12) vorgeschalteten Vorrichtung (14, 16) umfasst.
2. Verfahren nach Anspruch 1 ,
wobei der erste und/oder zweite berechnete Statorstrom (im h#) aus einer Ausgangssollspannung (up h ) eines Pulswechselrichters (14) und dem ersten und/oder zweitem gemessenen Statorstrom (im h) berechnet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
wobei ein Ausgangsstrom (ip h) aus einem Pulswechselrichter (14) vor einem LC-Filter (16) gemessen wird;
wobei der erste und/oder zweite berechnete Statorstrom (im h#) aus dem
Ausgangsstrom (ip h) des Pulswechselrichters und dem ersten und/oder zweitem gemessenen Statorstrom (im ) berechnet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei ein der Synchronmaschine (12) zugeführter Wechselstrom mit einem
Pulswechselrichter (14) erzeugt wird;
wobei das Maschinenmodell (20a, 20c) ein Modell (34) des
Pulswechselrichters (14) umfasst;
wobei das Modell (34) des Pulswechselrichters dazu ausgeführt ist aus einer Ausgangssollspannung (up h*) des Pulswechselrichters (14) eine
Ausgangsspannung (up h#) des Pulswechselrichters (14) zu berechnen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei ein der Synchronmaschine (12) zugeführter Wechselstrom durch einen LC-Filter (16) gefiltert wird;
wobei das Maschinenmodell (20a, 20b) ein Modell (36, 50) des LC-Filters (16) umfasst;
wobei das Modell (36, 50) des LC-Filters (16) dazu ausgeführt ist, aus einer Eingangsspannung (up h#) oder einem Eingangsstrom (ip h) und einem gemessenen Statorstrom (im h#) eine Statorspannung (um h#) zu berechnen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei das Modell (38) der Synchronmaschine (12) dazu ausgeführt ist, aus einer Eingangsspannung (um h#) und einem gemessenem Statorstrom (im h) einen Statorstrom (im h#) zu berechnen.
Computerprogramm, das, wenn es auf einem Prozessor ausgeführt wird, den Prozessor anleitet, die Schritte des Verfahrens nach einem der
Ansprüche 1 bis 6 auszuführen.
Computerlesbares Medium, auf dem ein Computerprogramm gemäß Anspruch 7 gespeichert ist.
Steuerung (18) für eine Synchronmaschine (12), die dazu ausgeführt ist, die Schritte des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 durchzuführen.
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