WO2016207383A1 - VERFAHREN ZUM ERMITTELN VON STROMABHÄNGIGEN UND/ODER DREHWINKELSTELLUNGSABHÄNGIGEN KENNGRÖßEN EINER ELEKTRISCHEN MASCHINE UND FREQUENZUMRICHTER - Google Patents

VERFAHREN ZUM ERMITTELN VON STROMABHÄNGIGEN UND/ODER DREHWINKELSTELLUNGSABHÄNGIGEN KENNGRÖßEN EINER ELEKTRISCHEN MASCHINE UND FREQUENZUMRICHTER Download PDF

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longitudinal
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operating point
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PCT/EP2016/064726
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Heiko Stichweh
Gennadi BÖHM
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Lenze Automation Gmbh
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    • H02P6/00—Arrangements for controlling synchronous motors or other dynamo-electric motors using electronic commutation dependent on the rotor position; Electronic commutators therefor
    • H02P6/14—Electronic commutators
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    • H02P6/18—Circuit arrangements for detecting position without separate position detecting elements
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    • H02P6/20—Arrangements for starting
    • H02P6/22—Arrangements for starting in a selected direction of rotation

Definitions

  • the invention relates to a method for determining current-dependent and / or angular position-dependent characteristics of an electrical machine, in particular carried out by means of a frequency converter, and a frequency converter.
  • Electric machines in the form of permanent-magnet synchronous machines (PMSM) and synchronous reluctance machines (SynRM) offer considerable advantages in terms of energy efficiency compared to today's widespread asynchronous and induction machines, especially in the part-load and part-speed range, as well as power density and speed synchrony.
  • PMSM permanent-magnet synchronous machines
  • SynRM synchronous reluctance machines
  • a cost-effective, encoderless operation of these synchronously operating electric motors requires a very precise knowledge of the properties of the electric motors in the form of characteristic-size-based equivalent circuit diagram data. Due to the saturation-dependent properties of the electric motors, characteristics such as inductances typically change with the current or depending on the rotor position.
  • the invention has for its object to provide a method for determining or for identification of current-dependent and / or angular position-dependent characteristics of an electrical machine and a frequency converter available.
  • the invention achieves this object by a method according to claim 1 and a frequency converter according to claim 12.
  • the method is used to determine current-dependent and / or angular position-dependent characteristics of an electrical machine.
  • the characteristics may e.g. be used for a model-based, sensorless control of the PMSM or SynRM as well as for an optimal or optimal current control (Maximum Torque per Ampere Control or MTPA) or to test the characteristics of the motor. Furthermore, the information may be used for improved current setpoint feedforward.
  • a rotational angular position of a rotor of the electric machine is adjusted. After reaching the desired angular position of the rotor, in particular mechanically, blocked, so that the rotor can not change its angular position.
  • This blocking can be realized, for example, with an operating or holding brake.
  • a longitudinal current setpoint is formed by adding a longitudinal current setpoint operating point and a longitudinal current setpoint alternating signal, wherein the longitudinal current setpoint alternating signal periodically changes with a longitudinal current setpoint frequency and the longitudinal current setpoint operating point remains constant at least during certain periods of time.
  • a cross current setpoint is formed by adding a cross current setpoint operating point and a cross current setpoint alternating signal, wherein the cross current setpoint alternating signal changes periodically with a cross current setpoint frequency and the crossflow setpoint operating point remains constant at least during certain periods of time.
  • the periodic alternating signals e.g. sinusoidal in this case serve to identify the differential impedance or inductance in the operating point defined by the constant current components.
  • phase currents currents in the motor phases
  • a self-adjusting longitudinal current and / or a cross-current which arises are conventionally determined from the measured phase currents and a measured or estimated rotor flux position.
  • relevant specialist literature reference is also made to the relevant specialist literature.
  • the longitudinal current i d is now conventionally controlled to the longitudinal current setpoint and / or the cross-flow i q is conventionally controlled to the cross-current setpoint, wherein for controlling conventionally manipulated variables in the form of a longitudinal control voltage and / or a transverse control voltage generated and in motor phases of the electric machine be embossed.
  • conventionally manipulated variables in the form of a longitudinal control voltage and / or a transverse control voltage generated and in motor phases of the electric machine be embossed.
  • the impressed longitudinal and transverse actuating voltages and the determined longitudinal and transverse currents can furthermore be used to determine the differential impedance of the machine at the set operating point. If the control voltages or the measured currents have disturbing noise components or other interfering or overlapping signal components, a filter (eg 2nd order bandpass filter) can be used for filtering. It is important that the filter applies to all the actuating voltages and and cross currents, so that the phase shift caused by the filter and the amplitude attenuation occur equally in all sizes.
  • a filter eg 2nd order bandpass filter
  • a discrete Fourier transform (DFT) algorithm is applied to the unfiltered or filtered actuating voltages and to the unfiltered or filtered currents, the result of which is the complex Fourier coefficients for longitudinal and transverse current and longitudinal and transverse actuating voltage as a function of the frequency is.
  • DFT discrete Fourier transform
  • the characteristics are calculated as a function of the longitudinal control voltage coefficients and the longitudinal flow coefficients and / or the transverse control voltage coefficients and the crossflow coefficients. These characteristics may include the impedance Z for the operating point. From the impedance, the differential inductances Ldd, Lqq, Ldq and Lqd can be obtained by a separate consideration of the imaginary and real components of the ohmic resistance and taking into account the exciting frequency.
  • step b) the longitudinal current setpoint operating point can be changed and / or the crossflow setpoint operating point can be changed, wherein steps c) to f) are repeated with a modified longitudinal current setpoint operating point and / or with a changed crossflow setpoint operating point.
  • Regulating the longitudinal current i d to the longitudinal current setpoint and / or regulating the cross current i q to the cross current setpoint may be performed based on control parameters for the current controllers that depend on the longitudinal current setpoint operating point and / or the cross current setpoint operating point. If, for example, a PI or a PI-P resonance controller is used to regulate the current, then these regulators can be set according to adjustment methods known from the literature (eg, absolute value optimum). The parameters (inductances) required for this process can be obtained, for example, from an operating point which has already been identified previously and which has only a slight difference from the currently-to-be-identified operating point.
  • the longitudinal current setpoint operating point and / or the crossflow setpoint operating point can be continuously changed such that a change in the longitudinal current and / or the cross current does not exceed a predefinable threshold value.
  • the threshold values for positive and negative longitudinal and transverse currents thus limit the field of the operating points or define the search space to be identified.
  • the calculation of the parameters can be carried out as a function of a dead time of the inverter and / or as a function of signal propagation times of filters, which are used for measuring the phase currents.
  • the phase shift resulting from the dead time on the voltage signal may e.g. used in the calculation of the impedance, thus avoiding erroneous calculation of the imaginary and real part of the impedance.
  • step a) the angle of rotation position can be changed by releasing the blocking, and then the rotor can be blocked again when the rotational angle position is changed, the steps b) to f) being repeated at a different rotational angle position so as to determine the characteristic variables as a function of the rotational angle.
  • the current dependent and / or angular position dependent characteristics may be selected from the following set of characteristics: differential (current derived) series inductance (s) L dd , differential (current derived) inductance (s) L qq , cross saturation L dq and L qd , and resistors.
  • impedances composed of inductance and resistance can also be used directly.
  • Current-dependent and / or location-dependent absolute inductances in the longitudinal and transverse directions can be calculated from the flux linkages in the longitudinal and transverse directions and from the associated longitudinal currents and cross currents.
  • the longitudinal currents and / or cross currents obtained from the measurement of the phase currents can be filtered, for example, band-pass filtered.
  • the electric machine may be a synchronous machine or a reluctance machine.
  • the method can also be used for induction machines
  • the frequency converter has a control unit, for example in the form of a microprocessor and associated software, which is designed to carry out a method mentioned above. It is understood that the frequency converter has suitable measuring means for measuring the required quantities.
  • FIG. 1 is a basic schematic structural diagram of a method according to the invention for determining current-dependent and / or angular position-dependent characteristics of an electrical machine
  • FIG. 2 is a schematic block diagram of a structure of the method according to the invention in greater detail for determining the current-dependent and / or angular position-dependent characteristics
  • FIG. 5 shows a time profile of a state of a state control in conjunction with an associated time profile of a longitudinal current setpoint and a cross-current setpoint
  • Fig. 6 shows a part of the block diagram shown in Fig. 2 in greater detail.
  • the inventive method allows the identification of the current-dependent equivalent circuit diagram data or characteristics of a permanent-magnet synchronous machine, a synchronous reluctance machine and / or an induction machine.
  • the method can be carried out without a position sensor. However, there is a need to decelerate the machine during the process, at least during certain periods of time.
  • the method is based on the alternating injection of RF signals.
  • the signal injection can take place by means of RF voltage signals or by impressing an HF current in a field-oriented coordinate system. The following is based on the imprint of the HF current.
  • the measurement takes place with the rotor locked, the position of the rotor being known or estimated.
  • the identification of the rotor position or angular position can be done by known methods. Iron losses are only at higher speeds significantly and can therefore be neglected when measuring inductance at standstill of the machine.
  • FIG. 1 shows an overview of a structogram of a method according to the invention for determining current-dependent and / or angular position-dependent characteristics in the form of differential longitudinal inductances L dd , differential cross-inductances L qq , cross-saturations L dq and L qd and optionally resistances or impedances.
  • a parameterization of the existing controllers from rated data takes place. Further, in Fig. 11, the operating points to be measured are set.
  • step S1 adjustment of a rotational angular position of the rotor of the electric machine, i. an orientation of the rotor.
  • an input step 12 the rotor of the electric machine is blocked so that the rotational angle position of the rotor can no longer change.
  • a winding resistance and an inverter characteristic are determined. Furthermore, the inductances are roughly determined via simple test signals (e.g., step responses). The findings thus obtained are used to design the frequency of the subsequent alternating signal and for presetting the control parameters of the current controller.
  • step S3 the actual process for identifying the differential inductances, resistances and inductances takes place.
  • the flux linkages Psi_d and Psi_q and the absolute inductances are determined in a step S4.
  • a concatenation of the permanent magnet flux is determined taking into account a voltage constant ke, which is input in an input step 13.
  • the determined parameters are stored in a database 14.
  • Fig. 2 shows a detailed block diagram of a structure of the method according to the invention.
  • a brake 2 is used to block an electric machine 1 in the form of a synchronous machine, a reluctance machine or an induction machine.
  • a state controller 3 is used to generate a state variable k.
  • the state controller 3 in conjunction with a setpoint generator 18 serves to specify a longitudinal flow setpoint operating point I i0 and a crossflow setpoint operating point / 0 , in each case depending on the state k.
  • the state k can take integer values between 0 and 2.
  • An RF generator 4 receives the state k and generates - after the steady-state operating point started and the stationary currents are settled - depending on either a longitudinal current setpoint alternating signal or a cross current setpoint alternating signal iq : HF .
  • a current controller 5 receives the longitudinal current setpoint operating point I i0 , the cross current setpoint operating point Iqp, the longitudinal current setpoint alternating signal the cross current setpoint alternating signal iq HF and the state k.
  • a longitudinal current command value is formed by adding the longitudinal current command value operating point and the longitudinal current command value alternating signal and a cross current command value by adding the cross current command value operating point and the cross current command value alternating signal.
  • the current controller can be designed here as, for example, a PI or P-P resonant controller and tracked with respect to its controller parameters from operating point to operating point.
  • the current control 5 regulates the longitudinal current i d to the longitudinal current setpoint and controls the cross-flow i q to the cross-current setpoint, wherein for control manipulated variables in the form of a longitudinal control voltage u and a transverse control voltage u generated and impressed in motor phases of the electric machine 1.
  • a transformation of the field-oriented actuating voltage variables (dq system) into the stator-stable ⁇ , ⁇ system or into the phase voltage-based uvw system is conventionally carried out (for example for the inverse Clarke transformation 6).
  • the impressing of the voltage can be effected by means of a pulse width modulation (PWM) generation unit 7 and a three-phase H-bridge inverter 8.
  • PWM pulse width modulation
  • phase currents i u s t, ivjst, iwjst of the electric machine 1 are measured by conventional measuring means, not shown, based on the measured phase currents i u st , i v j s t, iwjst by means of a conventional one uvw-dq converter 9 (for example for Clarke-Parks transformation) a self-adjusting longitudinal current i d , i S t and a cross-current i q , is t from the measured phase currents i u s t, i v j s t , iwjst be determined.
  • phase currents i u j s t, ivjst, iwjst both with 3 and 2 with measuring elements can be measured, and in the case of 2 pickoffs the third phase current is calculated from the two other phase currents.
  • the currents i d j s t and i q j s t are provided as actual values of the current control 5.
  • the current control 5 may have a PI controller and a P-resonance regulator (PR controller) connected in parallel with the PI regulator.
  • PR controller P-resonance regulator
  • an identification unit 10 is used to determine characteristic values based on the determined longitudinal flow i d , the determined transverse flow i q , the longitudinal control voltage of the transverse control voltage u and the state k.
  • a switch or multiplexer 15 is acted upon by the longitudinal flow i d , the transverse flow i q and the state k and outputs either the longitudinal flow i d or the transverse flow i q to an optional filter 1 1 as a function of the state k Form of a bandpass can be realized.
  • the filter 1 1 (or corresponding further, parallel instances of the filter 1 1) is / are further applied to the longitudinal control voltage u and the transverse control voltage u.
  • a DFT unit 12 applies a discrete Fourier transform (DFT) algorithm or a Görtzel algorithm to the longitudinal servo voltage and / or the transverse servo voltage u, and / or the longitudinal current i d and / or the cross current i q for generating longitudinal actuating voltage coefficients, transverse actuating voltage coefficients, longitudinal flow coefficients or cross-flow coefficients.
  • DFT discrete Fourier transform
  • a calculation unit 13 calculates the (impedance) characteristics or differential inductances as a function of the longitudinal actuating voltage coefficients and the longitudinal current coefficients as well as the transverse actuating voltage coefficients and the cross-current coefficients. For this purpose, the calculation unit 13 may divide the longitudinal flow coefficients by the longitudinal control voltage coefficients and divide the lateral flow coefficients by the transverse control voltage coefficients. From the thus calculated differential inductance The flux linkages and the absolute flows can be calculated. During the calculation, dead times of the inverter as well as different filter times, eg during current detection, can be taken into account and compensated.
  • the calculated parameters are stored in the database 14.
  • the determined parameters for tracking the current control can be used for one of the following operating points.
  • a tracking of the controller parameters 16 and 17 is provided.
  • a setpoint generator 19 is provided for normal operation, wherein an output of the setpoint generation 18 and an output of the speed control 21 are guided to a changeover switch 22, which depending on a braking state, either the output the setpoint generation 18 or the output of the speed control 21 to the current control 5 are.
  • FIG. 3 shows a representation of the principle of the alternating excitation for an operating point, which will be explained in more detail below with reference to FIGS. 4 and 5.
  • FIG. 4 shows a chronological progression of the longitudinal current setpoint or of the longitudinal current and of the transverse current nominal value or of the transverse current.
  • the guidance of the operating points is in this case optimized such that there is only a small difference either in the longitudinal current setpoint or in the transverse current nominal value between 2 consecutive operating points.
  • This advantageous sequence of operating points makes it possible for the measured impedances of the previous operating point to be used for the adaptive tracking of the controller parameters for the measurement of the following operating point.
  • One possible embodiment consists in first of all keeping the longitudinal current setpoint constant at the operating points and varying the crossflow nominal value from 0 to the maximum crossflow nominal value to be identified. After reaching the max.
  • Cross-flow setpoint the longitudinal flow setpoint is increased and then the operating points for this longitudinal flow setpoint in the desired quadrant can be reduced by stepwise decrementing of the crossflow setpoint value of max. Setpoint to be approached to 0. By clever juxtaposition all 4 quadrants of a motor can be measured in this way. The steps described above for determining the parameters are repeated at the changed operating points.
  • the rotational angle position can be changed and then the rotor can be blocked when the rotational angle position is changed, with the above-described steps for determining the characteristic values being repeated when the rotational angle position is changed.
  • FIG. 5 shows a chronological progression of state k of state controller 3 in conjunction with an associated time profile of the longitudinal current or longitudinal current setpoint and the crossflow or crossflow nominal value.
  • the state k initially has a value of 0, then changes its value to 1, then to 2 and returns to 0. This cycle is repeated continuously.
  • the crossflow setpoint remains constant.
  • longitudinal inductances Ldd and cross-saturations Ldq are calculated.
  • the switch 15 (FIG. 2) and thus the calculation method 10 are in this case only released after the alternating signal has been present for several periods and the controllers have been able to settle. The switch is then turned on for an integral number of alternating signal periods.
  • the longitudinal current setpoint remains constant.
  • the switch 15 (FIG. 2) and thus the calculation method 10 are in this case only released after the alternating signal has been present for several periods and the controllers have been able to settle. The switch is then turned on for an integral number of alternating signal periods.
  • Longitudinal setpoint frequency and crossflow setpoint frequency can be identical.
  • the design of the frequency for the process is to be selected depending on the motor to be identified and the available control voltage. Depending on the engine, it can be between 100 and 600 Hz.
  • the amplitude of the current signal is to be determined as a function of the resolution of the current detection and of the current range to be measured. As a rule, the amplitude should be between 5-15% of the rated current of the machine.
  • the cross-flow working point is increased, the longitudinal flow working point remains constant.
  • the second cycle corresponds to the first cycle. Over a longer period, the temporal profile of the current setpoint values shown in FIG. 4 finally results.
  • longitudinal and transverse currents are regulated by means of a parallel-connected PI controller and PR controller (proportional resonance controller).
  • the associated current setpoints are generated with a state controller 3 in conjunction with a setpoint generation 18.
  • the corresponding setpoint voltages from the output of the controller 5 and the measured currents are analyzed with the Goertzel algorithm with respect to the longitudinal current setpoint frequency or crossflow setpoint frequency, with only one current component being investigated, depending on the injection direction. Switching takes place with the state-dependent switch 15.
  • a bandpass filter 1 1 can be used.
  • a second-order bandpass filter is recommended, wherein the bandpass filter 1 1 is to be applied to all measured variables that enter into the calculation, so that the phase shift and the amplitude attenuation occur equally for all variables.
  • the Goertzel algorithm provides the DFT coefficients of the voltages and the injection current.
  • the (differential) impedance of the machine 1 is calculated from the DFT coefficients.
  • the identified inductances are tracked to optimize the control and stored in the memory 14.
  • the controller parameters of the PI and P-resonance controllers are automatically determined and adaptively tracked by the sequence control 3 from measuring point to measuring point.
  • test signal The interpretation of the test signal is automatic.
  • the dead time of the inverter 8 is taken into account.
  • the differential inductances are calculated by dividing the DFT coefficients of current and voltage. This allows for the dead time, a highly accurate determination of the differential inductances and cross-coupling.
  • the P-Resonance controller can be deactivated for a short time to allow fast and stable adjustment of the DC components of the longitudinal and cross currents.

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Abstract

Verfahren zum Ermitteln von stromabhängigen und/oder drehwinkelstellungsabhängigen Kenngrößen einer elektrischen Maschine (1), insbesondere zur Durchführung mittels eines Wechselrichters (8), mit den Schritten: Einstellen einer Drehwinkelstellung eines Rotors der elektrischen Maschine (1) und anschließendes Blockieren des Rotors, Bilden eines Längsstromsollwerts durch Addieren eines Längsstromsollwert-Arbeitspunkts (Formel I) und eines Längsstromsollwert-Wechselsignals (Formel II), wobei sich das Längsstromsollwert-Wechselsignal (Formel II) periodisch mit einer Längsstromsollwertfrequenz verändert, und/oder Bilden eines Querstromsollwerts durch Addieren eines Querstromsollwert- Arbeitspunkts (Formel III) und eines Querstromsollwert-Wechselsignals (Formel IV), wobei sich das Querstromsollwert-Wechselsignal (Formel IV) periodisch mit einer Querstromsollwertfrequenz verändert, Regeln eines Längsstroms (id) auf den Längsstromsollwert und/oder Regeln eines Querstroms (iq) auf den Querstromsollwert, wobei zum Regeln Stellgrößen in Form einer Längs-Stellspannung (Formel V) und/oder einer Quer-Stellspannung (Formel VI) erzeugt und in Motorphasen der elektrischen Maschine (1) eingeprägt werden, Messen von Phasenströmen der elektrischen Maschine (1) und Ermitteln eines sich einstellenden Längsstroms (id) und/oder eines sich einstellenden Querstroms (iq) aus den gemessenen Phasenströmen, Anwenden eines diskrete-Fourier-Transformation(DFT)-Algorithmus auf die Längs-Stellspannung (Formel V) und auf den ermittelten Längsstrom (id) zur Erzeugung von Längs- Stellspannungs-Koeffizienten und Längsstrom-Koeffizienten und/oder Anwenden des DFT-Algorithmus auf die Quer-Stellspannung (Formel VI) und auf den ermittelten Querstrom (iq) zur Erzeugung von Quer-Stellspannungs-Koeffizienten und Querstrom-Koeffizienten, und Berechnen der Kenngrößen in Abhängigkeit von den Längs-Stellspannungs-Koeffizienten und den Längsstrom-Koeffizienten und/oder den Quer-Stellspannungs-Koeffizienten und den Querstrom-Koeffizienten.

Description

Verfahren zum Ermitteln von stromabhängigen und/oder drehwinkelstellungsabhängigen Kenngrößen einer elektrischen Maschine und Frequenzumrichter
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln von stromabhängigen und/oder drehwinkelstellungsabhängigen Kenngrößen einer elektrischen Maschine, insbesondere durchgeführt mittels eines Frequenzumrichters, und einen Frequenzumrichter.
Elektrische Maschinen (Elektromotoren) in Form von permanenterregten Synchronmaschinen (PMSM) und synchronen Reluktanzmaschinen (SynRM) bieten gegenüber den heute weit verbreiteten Asynchron- bzw. Induktionsmaschinen erhebliche Vorteile bezüglich ihrer Energieeffizienz, insbesondere im Teillast- und Teildrehzahlbereich, sowie Leistungsdichte und Drehzahl- synchronität. Ein kostengünstiger, geberloser Betrieb dieser synchron arbeitenden Elektromotoren setzt jedoch eine sehr genaue Kenntnis der Eigenschaften der Elektromotoren in Form von kenngrößenbasierten Ersatzschaltbilddaten voraus. Aufgrund der sättigungsabhängigen Eigenschaften der Elektromotoren verändern sich Kenngrößen wie Induktivitäten typisch mit dem Strom oder in Abhängigkeit der Rotorlage.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Ermitteln bzw. zur Identifikation von stromabhängigen und/oder drehwinkelstellungsabhängigen Kenngrößen einer elektrischen Maschine und einen Frequenzumrichter zur Verfügung zu stellen.
Die Erfindung löst diese Aufgabe durch ein Verfahren nach Anspruch 1 und einen Frequenzumrichter nach Anspruch 12.
Das Verfahren dient zum Ermitteln von stromabhängigen und/oder drehwinkelstellungsabhängigen Kenngrößen einer elektrischen Maschine.
Die Kenngrößen können z.B. für eine modellbasierte, geberlose Regelung der PMSM oder SynRM sowie für eine effizienz- oder stromoptimale Regelung (Maximum Torque per Ampere Control bzw. MTPA) oder zur Prüfung der Eigenschaften des Motors weiterverwendet werden. Weiterhin kann die Information für eine verbesserte Stromsollwertvorsteuerung verwendet werden.
Zunächst wird eine Drehwinkelstellung eines Rotors der elektrischen Maschine eingestellt. Nach Erreichen der gewünschten Drehwinkelstellung wird der Rotor, insbesondere mechanisch, blockiert, so dass der Rotor seine Drehwinkelstellung nicht mehr verändern kann. Diese Blockierung kann z.B. mit einer Betriebs- oder Haltebremse realisiert werden.
Anschließend wird ein Längsstromsollwert durch Addieren eines Längsstromsollwert- Arbeitspunkts und eines Längsstromsollwert-Wechselsignals gebildet, wobei sich das Längs- stromsollwert-Wechselsignal periodisch mit einer Längsstromsollwertfrequenz verändert und der Längsstromsollwert-Arbeitspunkt zumindest während bestimmter Zeitdauern konstant bleibt. Alternativ oder zusätzlich wird ein Querstromsollwert durch Addieren eines Querstromsollwert- Arbeitspunkts und eines Querstromsollwert-Wechselsignals gebildet, wobei sich das Querstromsollwert-Wechselsignal periodisch mit einer Querstromsollwertfrequenz verändert und der Querstromsollwert-Arbeitspunkt zumindest während bestimmter Zeitdauern konstant bleibt. Die periodischen Wechselsignale, die z.B. sinusförmig ausgeführt sein können, dienen hierbei zur Identifikation der differentiellen Impedanz bzw. Induktivität in dem durch die konstanten Stromanteile definierten Arbeitspunkt.
Es werden nun Phasenströme (Ströme in den Motorphasen) der elektrischen Maschine gemessen und ein sich einstellender Längsstrom und/oder ein sich einstellender Querstrom herkömmlich aus den gemessenen Phasenströmen und einer gemessenen oder geschätzten Rotorflusslage ermittelt. Insoweit sei auch auf die einschlägige Fachliteratur verwiesen.
Der Längsstrom id wird nun herkömmlich auf den Längsstromsollwert geregelt und/oder der Querstrom iq wird herkömmlich auf den Querstromsollwert geregelt, wobei zum Regeln herkömmlich Stellgrößen in Form einer Längs-Stellspannung und/oder einer Quer-Stellspannung erzeugt und in Motorphasen der elektrischen Maschine eingeprägt werden. Insoweit sei auch auf die einschlägige Fachliteratur verwiesen.
Um sowohl ein bezüglich des Arbeitspunkts als auch bezüglich des HF-Anteils gutes Führungsverhalten des Stromreglers sowie eine gute Entkopplung zwischen Längs- und Querzweig zu realisieren, bietet sich die Verwendung eines Pl-P-Resonanzreglers sowohl für den Quer- als auch für den Längsstrom an.
Die eingeprägten Längs- und Quer-Stellspannungen und die ermittelten Längs- und Querströme können weiterhin dazu verwendet werden, die differentielle Impedanz der Maschine in dem eingestellten Arbeitspunkt zu ermitteln. Falls die Stellspannungen oder die gemessenen Ströme störende Rauschanteile oder andere störende bzw. überlagernde Signalanteile aufweisen, kann ein Filter (z.B. Bandpassfilter 2. Ordnung) zur Filterung eingesetzt werden. Es ist von Bedeutung, dass der Filter auf alle in die Berechnung eingehenden Stellspannungen sowie Längs- und Querströme anzuwenden ist, sodass die durch den Filter verursachte Phasenverschiebung und die Amplitudendämpfung bei allen Größen gleichermaßen eintreten.
Auf die ungefilterten oder gefilterten Stellspannungen sowie auf die ungefilterten oder gefilterten Ströme wird jeweils ein diskrete-Fourier-Transformation(DFT)-Algorithmus angewendet, dessen Ergebnis die komplexen Fourier-Koeffizienten für Längs- und Querstrom und Längs- und Quer- Stellspannung in Abhängigkeit von der Frequenz ist. Wenn zur Anregung ein HF-Signal mit einer festen Frequenz (z.B. sinusförmiges Testsignal) verwendet wird, kann die diskrete Fourier- Transformation durch den wesentlich einfacheren Goertzel-Algorithmus ersetzt werden, der die Fourier-Koeffizienten für Strom und Spannung für die gewünschte Anregungsfrequenz mit deutlich geringerem Aufwand hinsichtlich Rechenzeit und Speicherbedarf berechnen kann
Schließlich werden die Kenngrößen in Abhängigkeit von den Längs-Stellspannungs- Koeffizienten und den Längsstrom-Koeffizienten und/oder den Quer-Stellspannungs- Koeffizienten und den Querstrom-Koeffizienten berechnet. Zu diesen Kenngrößen kann die Impedanz Z für den Arbeitspunkt gehören. Aus der Impedanz können durch eine gesonderte Betrachtung des Imaginär- und Realanteils der ohmsche Widerstand sowie unter Berücksichtigung der Anregefrequenz die differentiellen Induktivitäten Ldd, Lqq, Ldq und Lqd gewonnen werden.
In Schritt b) kann/können der Längsstromsollwert-Arbeitspunkt verändert werden und/oder der Querstromsollwert-Arbeitspunkt verändert werden, wobei die Schritte c) bis f) bei geändertem Längsstromsollwert-Arbeitspunkt und/oder bei geändertem Querstromsollwert-Arbeitspunkt wiederholt werden.
Das Regeln des Längsstroms id auf den Längsstromsollwert und/oder das Regeln des Querstroms iq auf den Querstromsollwert kann basierend auf Regelungsparameter für die Stromregler durchgeführt werden, die von dem Längsstromsollwert-Arbeitspunkt und/oder dem Querstromsollwert-Arbeitspunkt abhängen. Nutzt man zur Regelung des Stromes z.B. einen PI oder einen Pl-P-Resonanzregler, so können diese Regler nach aus der Literatur bekannten Einstellverfahren (z.B. Betragsoptimum) eingestellt werden. Die für dieses Verfahren notwendigen Kenngrößen (Induktivitäten) können z.B. aus einem Arbeitspunkt gewonnen werden, der bereits zuvor identifiziert wurde und der nur einen geringfügigen Unterschied zum aktuell zu identifizierenden Arbeitspunkt aufweist. Auf diese Weise kann z.B. auch bei SynRM, deren differentielle Induktivität sich zum Teil um Faktor 3 in Abhängigkeit des Stromes ändern kann, ein stabiles und dynamisches Verhalten der Stromregler sichergestellt werden. Der Längsstromsollwert-Arbeitspunkt und/oder der Querstromsollwert-Arbeitspunkt kann/können derart fortlaufend verändert werden, dass eine Änderung des Längsstroms und/oder des Querstroms einen vorgebbaren Schwellenwert nicht überschreitet. Die Schwellwerte für positive und negative Längs- und Querströme begrenzen damit das Feld der Arbeitspunkte bzw. definieren den zu identifizierenden Suchraum.
Das Berechnen der Kenngrößen kann in Abhängigkeit von einer Totzeit des Wechselrichters und/oder in Abhängigkeit von Signallaufzeiten von Filtern erfolgen, die zum Messen der Phasenströme dienen. Die aus der Totzeit resultierende Phasenverschiebung auf das Spannungssignal kann z.B. bei der Berechnung der Impedanz verwendet und so eine fehlerhafte Berechnung des Imaginär- und Realteils der Impedanz vermieden werden.
In Schritt a) kann unter Lösen der Blockierung die Drehwinkelstellung verändert werden und anschließend der Rotor bei veränderter Drehwinkelstellung erneut blockiert werden, wobei die Schritte b) bis f) bei geänderter Drehwinkelstellung wiederholt werden, um derart die Kenngrößen drehwinkelabhängig zu bestimmen.
Die stromabhängigen und/oder drehwinkelstellungsabhängigen Kenngrößen können aus der folgenden Menge von Kenngrößen ausgewählt werden: differentielle (nach dem Strom abgeleitete) Längsinduktivität(en) Ldd, differentielle (nach dem Strom abgeleitete) Querinduktivität(en) Lqq, Kreuzsättigung Ldq und Lqd, und Widerstände.
Weiterhin können auch die aus Induktivität und Widerstand zusammengesetzten Impedanzen direkt verwendet werden.
Ldd (}d> iq> <P)—
Lqd (}d> iq> <P)—
Figure imgf000006_0001
Zur besseren Verständlichkeit sind die Spannungsgleichungen einer PMSM und einer SynRM in vereinfachter Form dargestellt. Bei SynRM ist zu beachten, dass der Permanentfluss ψΡΜ null ist.
_ dld dlq
Ud = Rs ' Id + Ldd ' ~T + ^dq ' "TT ~~ ωεΙ ' Lsq Iq _ dld dlq
Uq = Rs ' Iq + Lqd m—7 + Lqq ■—— + 0)e i ■ Lsd · Id + 0)e i ■ ψΡΜ
Es können stromabhängige und/oder ortsabhängige Flussverkettungen in Längsrichtung und Querrichtung Psi_d, Psi_q aus den berechneten differentiellen Längsinduktivitäten und Querinduktivitäten Ldd, Lqq sowie der berechneten Kreuzsättigung berechnet werden. Bei permanenterregten Synchronmaschinen kann dies insbesondere unter Berücksichtigung der durch die Magnete bewirkten Flussverkettung in Längsrichtung erfolgen. lJd { d> iq) =
Figure imgf000007_0001
rlq,max
't q Üd' iq) = I Lqq (id, iq ~) diq
Es können stromabhängige und/oder ortsabhängige absolute Induktivitäten in Längs- und Querrichtung aus den Flussverkettungen in Längsrichtung und Querrichtung sowie aus den zugehörigen Längsströmen und Querströmen berechnet werden.
, _ ^d jid. iq) . _ ^q jid. iq)
^sd yj-di lq)— ■ '-'sq yj-di lq) ~
ld lq
Die aus der Messung der Phasenströme gewonnen Längsströme und/oder Querströme können gefiltert, beispielsweise bandpassgefiltert, werden.
Die elektrische Maschine kann eine Synchronmaschine oder einer Reluktanzmaschine sein. Das Verfahren kann auch für Induktionsmaschinen verwendet werden
Der Frequenzumrichter weist eine Steuereinheit auf, beispielsweise in Form eines Mikroprozessors und zugehöriger Software, die dazu ausgebildet ist, ein oben genanntes Verfahren durchzuführen. Es versteht sich, dass der Frequenzumrichter geeignete Messmittel zur Messung der benötigten Größen aufweist.
Die Grundidee des Verfahrens besteht darin, dass für jeden relevanten Arbeitspunkt die Kennbzw. Ersatzschaltbildgrößen ermittelt werden. Hierfür werden bei einer SynRM oder PMSM, die ein einem definierten Drehwinkelstellung festgebremst ist, unterschiedliche Arbeitspunkte, die sich durch einen konstanten Längs- und Querstrom auszeichnen, angefahren. Mittels einer Testsignalinjektion in Längs- und/oder Querrichtung können anschließend für den Arbeitspunkt die differentiellen Impedanzen bzw. Induktivitäten ermittelt werden. Anhand weiterer mathematischer Berechnungen können aus den differentiellen Größen anschließend die absoluten Induktivitäten und Flüsse gewonnen werden.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen detailliert beschrieben. Hierbei zeigen:
Fig. 1 ein grundlegendes schematisches Struktogramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Ermitteln von stromabhängigen und/oder drehwinkelstellungsabhängigen Kenngrößen einer elektrischen Maschine,
Fig. 2 ein schematisches Blockschaltbild einer Struktur des erfindungsgemäßen Verfahrens in höherer Detaillierung zur Ermittlung der stromabhängigen und/oder drehwinkelstellungsabhängigen Kenngrößen,
Fig. 3 eine Darstellung des Prinzips einer alternierenden Anregung für einen Arbeitspunkt,
Fig. 4 einen zeitlichen Verlauf eines Längsstromsollwerts und eines Querstromsollwerts,
Fig. 5 einen zeitlichen Verlauf eines Zustande einer Zustandssteuerung in Verbindung mit einem zugehörigen zeitlichen Verlauf eines Längsstromsollwerts und eines Querstromsollwerts, und
Fig. 6 einen Teil des in Fig. 2 gezeigten Blockschaltbilds in größerer Detaillierung.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die Identifikation der stromabhängigen Ersatzschaltbilddaten bzw. Kenngrößen einer permanenterregten Synchronmaschine, einer synchronen Reluktanzmaschine und/oder einer Induktionsmaschine. Das Verfahren kann ohne einen Lagegeber durchgeführt werden. Es besteht jedoch die Notwendigkeit, die Maschine während des Verfahrens zumindest während bestimmter Zeitabschnitte festzubremsen.
Das Verfahren basiert auf der alternierenden Injektion von HF-Signalen. Die Signalinjektion kann grundsätzlich mittels HF-Spannungssignalen oder durch Einprägung eines HF-Stromes in feldorientieren Koordinatensystem erfolgen. Das nachfolgend Beschriebene basiert auf der Einprägung des HF-Stromes. Die Messung erfolgt beim blockierten Rotor, wobei die Position des Rotors bekannt ist oder geschätzt wird. Die Identifikation der Rotorlage bzw. Drehwinkelstellung kann nach bekannten Verfahren erfolgen. Eisenverluste werden erst bei höheren Drehzahlen signifikant und können deshalb bei der Messung von Induktivität im Stillstand der Maschine vernachlässigt werden.
Fig. 1 zeigt als Überblick ein Struktogramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Ermitteln von stromabhängigen und/oder drehwinkelstellungsabhängigen Kenngrößen in Form von differentiellen Längsinduktivitäten Ldd, differentiellen Querinduktivitäten Lqq, Kreuzsättigungen Ldq und Lqd und optional Widerständen bzw. Impedanzen.
Bezugnehmend auf Fig. 1 erfolgt in einem optionalen Eingabeschritt 11 zunächst eine Paramet- rierung der vorhandenen Regler aus Bemessungsdaten. Weiterhin werden in 11 die zu messenden Arbeitspunkte festgelegt.
Nachfolgend erfolgt in einem Schritt S1 ein Einstellen einer Drehwinkelstellung des Rotors der elektrischen Maschine, d.h. eine Ausrichtung des Rotors.
Nachfolgend wird in einem Eingabeschritt 12 der Rotor der elektrischen Maschine blockiert, so dass sich die Drehwinkelstellung des Rotors nicht mehr verändern kann.
In einem Schritt S2 werden ein Wicklungswiderstand und eine Wechselrichterkennlinie ermittelt. Weiterhin werden über einfache Testsignale (z.B. Sprungantworten) die Induktivitäten grob bestimmt. Die so gewonnenen Erkenntnisse werden zur Auslegung der Frequenz des späteren Wechselsignals sowie zur Voreinstellung der Regelparameter der Stromregler verwendet.
In einem Schritt S3 findet das eigentliche Verfahren zur Identifikation der differentiellen Induktivitäten, Widerstände und Induktivitäten statt.
Aus den differentiellen Induktivitäten werden in einem Schritt S4 die Flussverkettungen Psi_d und Psi_q sowie die absoluten Induktivitäten ermittelt.
In einem Schritt S5 wird eine Verkettung des Permanentmagnetflusses unter Berücksichtigung einer Spannungskonstante ke ermittelt, die in einem Eingabeschritt 13 eingegeben wird.
Die ermittelten Kenngrößen werden in einer Datenbank 14 abgespeichert.
Fig. 2 zeigt ein detailliertes Blockschaltbild einer Struktur des erfindungsgemäßen Verfahrens. Eine Bremse 2 dient zum Blockieren einer elektrischen Maschine 1 in Form einer Synchronmaschine, einer Reluktanzmaschine oder einer Induktionsmaschine.
Eine Zustandssteuerung 3 dient zur Erzeugung einer Zustandsvariablen k. Die Zustandssteue- rung 3 in Verbindung mit einer Sollwertgenerierung 18 dient zum Vorgeben eines Längsstrom- sollwert-Arbeitspunkts I i0 und eines Querstromsollwert-Arbeitspunkts / 0, jeweils in Abhängigkeit vom Zustand k. Der Zustand k kann ganzzahlige Werte zwischen 0 und 2 annehmen.
Ein HF-Generator 4 empfängt den Zustand k und erzeugt - nachdem der stationäre Arbeitspunkt angefahren und die stationären Ströme eingeschwungen sind - in Abhängigkeit davon entweder ein Längsstromsollwert-Wechselsignal
Figure imgf000010_0001
oder ein Querstromsollwert- Wechselsignal iq:HF.
Eine Stromregelung 5 empfängt den Längsstromsollwert-Arbeitspunkt I i0 , den Querstromsollwert-Arbeitspunkt Iqp , das Längsstromsollwert-Wechselsignal
Figure imgf000010_0002
das Querstromsollwert- Wechselsignal iq HF und den Zustand k. In der Stromregelung 5 werden ein Längsstromsollwert durch Addieren des Längsstromsollwert-Arbeitspunkts und des Längsstromsollwert- Wechselsignals und ein Querstromsollwert durch Addieren des Querstromsollwert- Arbeitspunkts und des Querstromsollwert-Wechselsignals gebildet. Zur Verdeutlichung sei auch auf Fig. 6 verwiesen. Der Stromregler kann hierbei als z.B. als PI- oder Pl-P-Resonanzregler ausgeführt und bezüglich seiner Reglerparameter von Arbeitspunkt zu Arbeitspunkt nachgeführt werden.
Die Stromregelung 5 regelt den Längsstrom id auf den Längsstromsollwert und regelt den Querstrom iq auf den Querstromsollwert, wobei zum Regeln Stellgrößen in Form einer Längs- Stellspannung u und einer Quer-Stellspannung u erzeugt und in Motorphasen der elektrischen Maschine 1 eingeprägt werden. Hierzu wird herkömmlich eine Transformation der feldorientierten Stellspannungsgrößen (dq-System) in das ständerfeste α,β-System bzw. in das phasenspannungsbasierte uvw-System durchgeführt (beispielsweise zur inversen Clarke- Transformation 6). Die Einprägung der Spannung kann mittels einer Pulsweitenmodulati- on(PWM)-Erzeugungseinheit 7 und eines dreiphasigen H-Brücken-Wechselrichters 8 erfolgen. Bei den Elementen 6, 7 und 8 handelt es sich um herkömmliche Elemente, die beispielsweise bei so genannten feldorientierten Regelung oder auch Vektor-Regelungen zum Einsatz kommen. Insoweit sei auch auf die einschlägige Fachliteratur verwiesen. Bezugnehmend auf Fig. 6, werden Phasenströme iujst, ivjst, iwjst der elektrischen Maschine 1 mittels herkömmlicher, nicht gezeigter Messmittel gemessen, wobei basierend auf den gemessenen Phasenströmen iujst, ivjst, iwjst mittels eines herkömmlichen uvw-dq-Wandlers 9 (beispielsweise zur Clarke-Parks-Transformation) ein sich einstellender Längsstroms id,iSt und ein sich einstellender Querstrom iq,ist aus den gemessenen Phasenströmen iujst, ivjst, iwjst ermittelt werden. Die Phasenströme iujst, ivjst, iwjst können sowohl mit 3 als auch mit 2 Messgliedern gemessen werden, wobei im Falle von 2 Messgliedern der dritte Phasenstrom aus den beiden anderen Phasenströmen zu berechnen ist. Insoweit sei ebenfalls auf die einschlägige Fachliteratur verwiesen. Die Ströme idjst und iqjst werden als Istwerte der Stromregelung 5 zur Verfügung gestellt.
Die Stromregelung 5 kann einen Pl-Regler und einen dem Pl-Regler parallel geschalteten P- Resonanzregler (PR-Regler) aufweisen.
Erneut Bezug nehmend auf Fig. 2, dient eine Identifikationseinheit 10 zur Kenngrößenermittlung basierend auf dem ermittelten Längsstrom id, dem ermittelten Querstrom iq, der Längs- Stellspannung der Quer-Stellspannung u und dem Zustand k.
Ein Schalter bzw. Multiplexer 15 ist mit dem Längsstrom id, dem Querstrom iq und dem Zustand k beaufschlagt und gibt in Abhängigkeit vom Zustand k entweder den Längsstrom id oder den Querstrom iq an ein optionales Filter 1 1 aus, das beispielsweise in Form eines Bandpasses realisiert sein kann. Das Filter 1 1 (bzw. entsprechende weitere, parallele Instanzen des Filters 1 1 ) ist/sind weiter mit der Längs-Stellspannung u und der Quer-Stellspannung u beaufschlagt.
Eine DFT-Einheit 12 wendet einen diskrete-Fourier-Transformation(DFT)-Algorithmus oder einen Görtzel-Algorithmus auf die Längs-Stellspannung und/oder die Quer-Stellspannung u , und/oder den Längsstrom id und/oder den Querstrom iq zur Erzeugung von Längs- Stellspannungs-Koeffizienten, Quer-Stellspannungs-Koeffizienten, Längsstrom-Koeffizienten bzw. Querstrom-Koeffizienten an.
Eine Berechnungseinheit 13 berechnet schließlich die (Impedanz-) Kenngrößen bzw. differenti- ellen Induktivitäten in Abhängigkeit von den Längs-Stellspannungs-Koeffizienten und den Längsstrom-Koeffizienten sowie den Quer-Stellspannungs-Koeffizienten und den Querstrom- Koeffizienten. Hierzu kann die Berechnungseinheit 13 die Längsstrom-Koeffizienten durch die Längs-Stellspannungs-Koeffizienten dividieren und die Querstrom-Koeffizienten durch die Quer- Stellspannungs-Koeffizienten dividieren. Aus den derart berechneten differentiellen Induktivitä- ten können die Flussverkettungen und die absoluten Flüsse berechnet werden. Bei der Berechnung können Totzeiten des Wechselrichters sowie unterschiedliche Filterzeiten z.B. bei der Stromerfassung berücksichtigt und kompensiert werden.
Die berechneten Kenngrößen werden in der Datenbank 14 abgespeichert.
Weiterhin können die ermittelten Kenngrößen zur Nachführung der Stromregelung für einen der folgenden Arbeitspunkte verwendet werden. Hierfür ist eine Nachführung der Reglerparameter 16 und 17 vorgesehen.
Weiter ist für einen Normalbetrieb ein Sollwertgeber 19, ein nachgeschalteter Lageregler 20 und eine nachgeschaltete Drehzahlregelung 21 vorgesehen, wobei ein Ausgang der Sollwertgene- rierung 18 und ein Ausgang der Drehzahlregelung 21 auf einen Umschalter 22 geführt sind, der in Abhängigkeit von einem Bremszustand entweder den Ausgang der Sollwertgenerierung 18 oder den Ausgang der Drehzahlregelung 21 auf die Stromregelung 5 gibt.
Fig. 3 zeigt eine Darstellung des Prinzips der alternierenden Anregung für einen Arbeitspunkt, was nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren 4 und 5 näher erläutert wird.
Fig. 4 zeigt einen zeitlichen Verlauf des Längsstromsollwerts bzw. des Längsstroms und des Querstromsollwerts bzw. des Querstroms. Die Führung der Arbeitspunkte ist hierbei derart optimiert, dass zwischen 2 aufeinander folgenden Arbeitspunkten jeweils nur ein geringer Unterschied entweder im Längsstromsollwert oder im Querstromsollwert besteht. Diese vorteilhaft ausgeführte Aneinanderreihung von Arbeitspunkten macht es möglich, dass die gemessenen Impedanzen des vorherigen Arbeitspunktes zur adaptiven Nachführung der Reglerparameter für die Messung des folgenden Arbeitspunkts verwendet werden können. Somit können auch Maschinen mit extremem Sättigungsverhalten und stark veränderlichen Induktivitäten stabil, robust und sicher identifiziert werden. Eine mögliche Ausführung besteht darin, dass zunächst der Längsstromsollwert bei den Arbeitspunkten konstant gehalten und der Querstromsollwert von 0 bis zum maximal zu identifizierenden Querstromsollwert variiert wird. Nach Erreichen des max. Querstromsollwerts wird der Längsstromsollwert erhöht und es können dann die Arbeitspunkte für diesen Längsstromsollwert in dem gewünschten Quadranten durch schrittweises Dekrementieren des Querstromsollwerts von max. Sollwert bis 0 angefahren werden. Durch geschickte Aneinanderreihung können alle 4 Quadranten eines Motors auf diese Weise gemessen werden. Die weiter oben beschriebenen Schritte zur Ermittlung der Kenngrößen werden bei den veränderten Arbeitspunkten wiederholt.
Weiter kann die Drehwinkelstellung verändert und anschließend der Rotor bei veränderter Drehwinkelstellung blockiert werden, wobei die oben beschriebenen Schritte zur Ermittlung der Kenngrößen bei veränderter Drehwinkelstellung wiederholt werden.
Fig. 5 zeigt einen zeitlichen Verlauf des Zustande k der Zustandssteuerung 3 in Verbindung mit einem zugehörigen zeitlichen Verlauf des Längsstroms bzw. Längsstromsollwerts und des Querstroms bzw. Querstromsollwerts.
Der Zustand k hat anfänglich einer Wert von 0, ändert anschließend seinen Wert auf 1 , dann auf 2 und kehrt zurück zu 0. Dieser Zyklus wird fortlaufend wiederholt.
Während des ersten Zyklus bleiben sowohl der Längsstromsollwert-Arbeitspunkt als auch der Querstromsollwert-Arbeitspunkt konstant. In diesem Zustand werden die neuen Längs- und Querstromsollwerte des Arbeitspunktes angefahren. Es wird auf ein Einschwingen der Regler sowie auf ein stationäres Verhalten gewartet, um eine unerwünschte Überlagerung des Anregelvorgangs des Arbeitspunkts und der eigentlichen Identifikation (k=1 , k=2) zu vermeiden.
Im Zustand k = 0 werden weder das Längsstromsollwert-Wechselsignal noch das Querstromsollwert-Wechselsignal erzeugt, so dass auch der Längsstromsollwert und der Querstromsollwert konstant bleiben.
Im Zustand k = 1 wird nur das Längsstromsollwert-Wechselsignal als sinusförmiges Signal mit einer Längsstromsollwertfrequenz erzeugt, so dass sich der Längsstromsollwert um seinen Arbeitspunkt wie dargestellt sinusförmig mit der Längsstromsollwertfrequenz verändert. Der Querstromsollwert bleibt konstant. Im Zustand k = 1 werden Längsinduktivitäten Ldd und Kreuzsättigungen Ldq berechnet. Der Schalter 15 (Fig. 2) und damit das Berechnungsverfahren 10 werden hierbei erst freigeschaltet, nachdem das Wechselsignal für mehrere Perioden angestanden hat und die Regler sich einschwingen konnten. Der Schalter wird dann für eine ganzzahlige Anzahl von Wechselsignalperioden durchgeschaltet.
Im Zustand k = 2 wird nur das Querstromsollwert-Wechselsignal als sinusförmiges Signal mit einer Querstromsollwertfrequenz erzeugt, so dass sich der Querstromsollwert um seinen Arbeitspunkt wie dargestellt sinusförmig mit der Querstromsollwertfrequenz verändert. Der Längsstromsollwert bleibt konstant. Im Zustand k = 2 werden Querinduktivitäten Lqq und Kreuzsätti- gungen Lqd berechnet. Der Schalter 15 (Fig. 2) und damit das Berechnungsverfahren 10 werden hierbei erst freigeschaltet, nachdem das Wechselsignal für mehrere Perioden angestanden hat und die Regler sich einschwingen konnten. Der Schalter wird dann für eine ganzzahlige Anzahl von Wechselsignalperioden durchgeschaltet.
Längsstromsollwertfrequenz und Querstromsollwertfrequenz können identisch sein. Die Auslegung der Frequenz für das Verfahren ist in Abhängigkeit des zu identifizierenden Motors und der zur Verfügung stehenden Stellspannung zu wählen. Je nach Motor kann sie zwischen 100 und 600 Hz liegen. Die Amplitude des Stromsignals ist in Abhängigkeit der Auflösung der Stromerfassung und des zu messenden Strombereichs festzulegen. In der Regel sollte die Amplitude zwischen 5-15% des Nennstroms der Maschine betragen.
Im folgenden Zyklus wird, wie in Fig. 5 dargestellt, der Querstromarbeitspunkt erhöht, wobei der Längsstromarbeitspunkt konstant bleibt. Im Übrigen entspricht der zweite Zyklus dem ersten Zyklus. Über einen längeren Zeitraum ergibt sich schließlich das in Fig. 4 dargestellt zeitliche Profil der Stromsollwerte.
Erfindungsgemäß werden Längs- und Querstrom mit parallel geschaltetem Pl-Regler und PR- Regler (Proportional-Resonanz-Regler) geregelt. Die zugehörigen Stromsollwerte werden mit einer Zustandssteuerung 3 in Verbindung mit einer Sollwertgenerierung 18 erzeugt. Die entsprechenden Sollspannungen aus dem Ausgang des Reglers 5 und die gemessenen Ströme werden mit dem Goertzel-Algorithmus bezüglich der Längsstromsollwertfrequenz bzw. Querstromsollwertfrequenz analysiert, wobei je nach Injektionsrichtung nur eine Stromkomponente untersucht wird. Die Umschaltung erfolgt mit dem zustandsabhängigen Schalter 15.
Falls die Messgrößen stark verrauscht sind, kann ein Bandpassfilter 1 1 eingesetzt werden. Empfohlen wird ein Bandpassfilter 2. Ordnung, wobei das Bandpassfilter 1 1 auf alle in die Berechnung eingehenden Messgrößen anzuwenden ist, sodass die Phasenverschiebung und die Amplitudendämpfung bei allen Größen gleichermaßen eintreten.
Der Goertzel-Algorithmus liefert die DFT-Koeffizienten der Spannungen und des Injektionsstromes.
Kurz vor dem Wechsel des Arbeitspunktes (Zustand 2 -> 0) wird aus den DFT-Koeffizienten die (differentielle) Impedanz der Maschine 1 berechnet. Die identifizierten Induktivitäten werden zur Optimierung der Regelung nachgeführt und im Speicher 14 abgelegt. Die Reglerparameter des PI- und P-Resonanzreglers werden automatisch ermittelt und durch die Ablaufsteuerung 3 von Messpunkt zu Messpunkt adaptiv nachgeführt.
Die Auslegung des Testsignals erfolgt automatisch.
Die Totzeit des Wechselrichters 8 wird berücksichtigt.
Die differentiellen Induktivitäten werden durch eine Division der DFT-Koeffizienten von Strom und Spannung berechnet. Dies ermöglicht bei Berücksichtigung der Totzeit eine hochgenaue Bestimmung der differentiellen Induktivitäten und der Kreuzkopplungen.
Aus den differentiellen Induktivitäten können die Flussverkettungen und die absoluten Flüsse berechnet werden.
Der P-Resonanzregler kann kurzzeitig deaktiviert werden, um eine schnelle und stabile Anpassung der Gleichanteile des Längs- und Querstroms zu ermöglichen.

Claims

Patentansprüche
Verfahren zum Ermitteln von stromabhängigen und/oder drehwinkelstellungsabhangigen Kenngrößen einer elektrischen Maschine (1 ), insbesondere zur Durchführung mittels eines Wechselrichters (8), mit den Schritten:
Einstellen einer Drehwinkelstellung eines Rotors der elektrischen Maschine (1 ) und anschließendes Blockieren des Rotors,
Bilden eines Längsstromsollwerts durch Addieren eines Längsstromsollwert-Arbeitspunkts (/rf o) und eines Längsstromsollwert-Wechselsignals {Id:HF), wobei sich das Längsstrom- sollwert-Wechselsignal (I^HF) periodisch mit einer Längsstromsollwertfrequenz verändert, und/oder Bilden eines Querstromsollwerts durch Addieren eines Querstromsollwert- Arbeitspunkts {Iqß) und eines Querstromsollwert-Wechselsignals {I%iHF), wobei sich das Querstromsollwert-Wechselsignal (I%iHF) periodisch mit einer Querstromsollwertfrequenz verändert,
Regeln eines Längsstroms (id) auf den Längsstromsollwert und/oder Regeln eines Querstroms (iq) auf den Querstromsollwert, wobei zum Regeln Stellgrößen in Form einer Längs-Stellspannung (u^) und/oder einer Quer-Stellspannung (u ) erzeugt und in Motorphasen der elektrischen Maschine (1 ) eingeprägt werden,
Messen von Phasenströmen (iujst, ivjst, iwjst) der elektrischen Maschine (1 ) und Ermitteln eines sich einstellenden Längsstroms (id, ist) und/oder eines sich einstellenden Querstroms (iq, ist) aus den gemessenen Phasenströmen (iujst, iv,ist, iwjst),
Anwenden eines diskrete-Fourier-Transformation(DFT)-Algorithmus oder eines Görtzel- Algorithmus auf die Längs-Stellspannung (u^) und auf den ermittelten Längsstrom (idjst) zur Erzeugung von Längs-Stellspannungs-Koeffizienten und Längsstrom-Koeffizienten und/oder Anwenden des DFT-Algorithmus oder des Görtzel-Algorithmus auf die Quer- Stellspannung (iiq ) und auf den ermittelten Querstrom (iqjst) zur Erzeugung von Quer- Stellspannungs-Koeffizienten und Querstrom-Koeffizienten, und
Berechnen der Kenngrößen in Abhängigkeit von den Längs-Stellspannungs-Koeffizienten und den Längsstrom-Koeffizienten und/oder den Quer-Stellspannungs-Koeffizienten und den Querstrom-Koeffizienten.
Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass
in Schritt b) der Längsstromsollwert-Arbeitspunkt verändert wird und/oder der Querstromsollwert-Arbeitspunkt verändert wird, wobei die Schritte c) bis f) bei geändertem Längs- stromsollwert-Arbeitspunkt und/oder bei geändertem Querstromsollwert-Arbeitspunkt wiederholt werden. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass
das Regeln des Längsstroms (id) auf den Längsstromsollwert und/oder das Regeln des Querstroms (iq) auf den Querstromsollwert basierend auf Regelungsparametern erfolgt, die von dem Längsstromsollwert-Arbeitspunkt und/oder dem Querstromsollwert- Arbeitspunkt abhängen.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass
der Längsstromsollwert-Arbeitspunkt und/oder der Querstromsollwert-Arbeitspunkt derart fortlaufend verändert wird/werden, dass eine Änderung des Längsstroms und/oder des Querstroms einen Schwellenwert nicht überschreitet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Berechnen der Kenngrößen in Abhängigkeit von einer Totzeit des Wechselrichters (8) und/oder in Abhängigkeit von Signallaufzeiten von Filtern erfolgt, die zum Messen der Phasenströme dienen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt a) die Drehwinkelstellung verändert wird und anschließend der Rotor bei veränderter Drehwinkelstellung blockiert wird, wobei die Schritte b) bis f) bei geänderter Drehwinkelstellung wiederholt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die stromabhängigen und/oder drehwinkelstellungsabhängigen Kenngrößen ausgewählt sind aus der Menge von Kenngrößen:
differentielle Längsinduktivitäten,
differentielle Querinduktivitäten,
Kreuzsättigung,
Widerstände und
Impedanzen.
Verfahren nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch den Schritt:
Berechnen von stromabhängigen und/oder ortsabhängigen Flussverkettungen in Längsund Querrichtung aus den berechneten differentiellen Längsinduktivitäten und Querinduktivitäten sowie der berechneten Kreuzsättigung, bei permanenterregten Synchronmaschinen insbesondere unter Berücksichtigung der durch deren Permanentmagnete bewirkten Flussverkettung in Längsrichtung.
9. Verfahren nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch den Schritt:
Ermitteln von stromabhängigen und/oder ortsabhängigen absoluten Induktivitäten in Längsrichtung und Querrichtung aus den Flussverkettungen in Längsrichtung und Querrichtung sowie aus dem zugehörigen Längsstrom (id) und Querstrom (iq).
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der aus der Messung der Phasenströme gewonnene Längsstrom (id) und Querstrom (iq) gefiltert werden.
1 1 . Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine (1 ) ein Synchronmaschine, oder einer Reluktanzmaschine, oder eine Induktionsmaschine ist.
12. Frequenzumrichter, aufweisend
eine Steuereinheit, die dazu ausgebildet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 1 1 durchzuführen.
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