DE10007120A1 - Stromregelung permanenterregter Synchronmotoren für Lenkflugkörper mit elektromechanische Ruderstellantrieb - Google Patents

Abstract

Es wird eine Stromregelung permanenterregter Synchronmotoren für Lenkflugkörper mit elektromechanischem Ruderstellantrieb vorgeschlagen, bei der der kommandierte Strom immer dadurch orthogonal zum Polradfluß geführt wird, daß DOLLAR A a) aus dem Meßstrom zweier Strangströme der Betrag des Stromraumzeigers bestimmt und der Betragsfehler des Stromes über einen Korrekturregler auf den Betragssollwert addiert wird und daß DOLLAR A b) aus dem Meßstrom zweier Strangströme sowie aus dem Winkelkommando des Stromraumzeigers ein Maß für den Winkelfehler bestimmt und über einen Korrekturregler auf den Winkelsollwert addiert wird. DOLLAR A Das Verfahren gemäß der Erfindung ist mit geringem Hardwareaufwand und geringem Bauvolumen auch für hohe Drehzahlen > 10000 min·-1· realisierbar. Bisherige Stromregelverfahren mit Frequenzgangkompensation in Polarkoordinaten sind nicht auf Synchronmotoren anwendbar, d. h. eine explizite Bestimmung des Winkels des Raumstromzeigers versagt für den Fall eines verschwindenden Meßstromes.

Description

Die Erfindung betrifft eine Stromregelung nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.

In modernen Lenkflugkörpern werden durch steigende Anforderungen an Dynamik, Gewicht sowie Volumen in vermehrtem Maße elektromechanische Ruderstellsysteme verwendet. Als Stellmotor werden permanenterregte Synchronmaschinen unter Verwendung von Hochenergiemagneten eingesetzt. Der Grund dafür ist deren geringes axiales Massenträgheitsmoment, die weitgehende Verschleißfreiheit sowie deren hohe Energiedichte. Die Krafteinleitung in das Ruder erfolgt aus Platzgründen und aufgrund des geringen axialen Massenträgheitsmomentes der Anordnung über einen Rollenspindelabtrieb, wobei die Spindel selbst direkt mit dem Läufer der Maschine starr verbunden ist. Eine derartige Vorrichtung ist in DE 196 35 847 C2 ausführlich beschrieben.

Aufgrund der Übersetzungsverhältnisse zwischen Maschine und Ruder folgt die Forderung nach einem Hochfrequenzspindelantrieb geringen Bauvolumens. Die Aufgabe besteht somit darin, ein Stromregelverfahren anzugeben, das eine maximale Ausnutzung der Maschine bei hohen Drehzahlen sowie einen miniaturisierten Antrieb mit hohen Drehbeschleunigungen ergibt.

Hierzu muß zu einem gegebenen Betrag des kommandierten Ankerstromes die Phasenlage des eingeprägten Maschinenstromes derart korrigiert werden, daß das von der Maschine entwickelte Drehmoment maximal wird. Das Verfahren muß trotz äußerer Störeinflüsse eine robuste Kompensation des Phasenganges bei hohen Drehzahlen durchführen. Bei der Realisierung auf einem Microprozessor ist der Rechenzeitbedarf des Verfahrens sowie die Anforderungen an die Abtastzeit des Regelalgorithmus möglichst gering zu halten.

Gemäß der Erfindung wird dies durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruches aufgeführten Maßnahmen erreicht. Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung, in der sie anhand der Zeichnung erläutert wird. Es zeigen

Fig. 1 ein Blockschaltbild des Regelkreises zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,

Fig. 2 eine detaillierte Darstellung des Blockes "polare Strom/Spannungskommandos" in Fig. 1,

Fig. 3 das Funktionsschaubild des Korrekturreglers in Fig. 1, und

Fig. 4 das Funktionsschaubild des Strangstromreglers in Fig. 1.

Das erfindungsgemäße Stromregelverfahren bewirkt, daß der kommandierte Strom i_R zur maximalen Drehmomentbildung orthogonal zum Polradfluß geführt wird. Gerechnet wird in einem polaren Koordinatensystem bezüglich des Läufers (feldorientierte Regelung).

Ein Blockschaltbild des Regelkreises mit einer Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens zeigt Fig. 1.

Der permanenterregte Synchronmotor 11 wird bei einer konkreten Ausführung des Stromregelverfahrens mit einem Stellglied 4 eingangsseitig verbunden. Das Stellglied selbst besteht aus einem Gleichspannungs- Zwischenkreisumrichter 6, der von einem Pulsweitenmodulator 5 angesteuert wird. Zur Messung der Polradlage wird ein Resolver 10 starr mit der Welle 12 der Synchronmaschine 11 gekoppelt. Der Polradlagewinkel γ_M wird in der Gebersignalaufbereitung 8 mit

berechnet.

Die Umrechnung des Stromkommandos sowie der EMK-Kompensation erfolgt in Block 1 "polare Strom-/Spannungskommandos". Ein Funktionsschaubild des Blockes 1 zeigt Fig. 2.

Der Betrag i_AC und der Winkel ε_C des kommandierten Stromes i_R wird berechnet aus:

Hierbei ist ε_T der Winkel zur Totzeitkorrektur bei digitaler Realisierung des Verfahrens, Z_P die Polpaarzahl des Synchronmotors und γ_EL der elektrische Polradwinkel:

Die Spannung u_AC und der Winkel ρ_C bilden zusammen die berechnete Gegen-EMK des Synchronmotors:

Die Strangstromsollwerte des Dreiphasensystems werden nach Korrektur des Betrages und der Phase im Block 2/Fig. 1 "Strangstromsollwerte" berechnet:

Der Betrag i_AK und der Winkel ε_K ergeben sich durch Addition der kommandierten Größen mit den Ausgangsgrößen des Korrekturreglers 9/ nach Fig. 1:

i_AK = i_AC +δi_K (11)

ε_K = ε_C +δε_K (12)

Die Darstellung der Gegen-EMK im Dreiphasensystem ist:

Der Strombetragskorrekturwert δi_K und der Stromwinkelkorrekturwert δε_K sind im Korrekturregler 9/Fig. 1 die Ausgangsgrößen zweier PI-Regler, ein Funktionsschaubild zeigt Fig. 3.

Der Strombetragsfehler δi_A und der Winkelfehler iδε in Fig. 3 werden im Block 7/Fig. 1 "Polare Strommeßwerte/Fehler" bestimmt. Hierzu wird aus den Strangstrommeßwerten i_1M und i_2M der Betrag des gemessenen Raumstromzeigers i_AM gebildet:

Der Betragsfehler des Stromes ergibt sich dann zu:

δi_A = i_AC-i_AM (19)

Als Maß für den Winkelfehler wird der Anteil i_D des Meßstromes i_AM in Längsrichtung bezüglich der Polradachse verwendet. Es wird darauf hingewiesen, daß eine direkte Berechnung des Winkels ε_M des Meßstromes zum einen durch die Berechnung aus der atan2-Funktion in der Regel zu rechenzeitintensiv ist. Weiterhin versagt die Berechnung für den Fall i_AM = 0, da in diesem Fall der Winkel ε_M unbestimmt ist. Es ergibt sich also:

iδε = i_XS.sin(ε_C)-i_YS.cos(ε_C) (20)

Der in Gleichung (20) berechnete Wert entspricht im übrigen

iδε = i_D.sign(i_R) = i_AM.sin(ε_C-ε_M))

Das Funktionsschaubild des Strangstromreglers 3/Fig. 1 zeigt Fig. 4. Die Verstärkungen K1 und K2 in Fig. 4 sind so einzustellen, daß bei festgespanntem Läufer des Synchronmotors 11/Fig. 1 der Meßstrom i_AM dem kommandierten Strom i_R bei sprung-förmigem Verlauf von i_R asymptotisch folgt. Daraus bestimmt sich die Verstärkung K2 zu:

In Fig. 4 bezeichnet R_W den Ohmschen Widerstand eines Stranges der Maschine 11/Fig. 1.

Die kommandierten Strangspannungen nach Fig. 4 ergeben sich aus:

u_1C = u_A1C+R_W. K1. (i_1C -K2.i_1M) (22)

u_2C = u_A2C+R_W. K1. (i_2C -K2.i_2M) (23)

u_3C = u_A3C+R_W.K1 . (i_3C -K2.i_3M) (24)

Das Verfahren gemäß der Erfindung ist mit geringem Hardwareaufwand und geringem Bauvolumen auch für hohe Drehzahlen < 10000 min^-1 realisierbar. Bisherige Stromregelverfahren mit Frequenzgangkompensation in Polarkoordinaten sind nicht auf Synchronmotoren anwendbar, d. h. eine explizite Bestimmung des Winkels des Raumstromzeigers versagt für den Fall eines verschwindenden Meßstromes.

Claims (1)

1. Stromregelung permanenterregter Synchronmotoren für Lenkflugkörper mit elektromechanischem Ruderstellantrieb, dadurch gekennzeichnet, daß der kommandierte Strom i_R immer dadurch orthogonal zum Polradfluß geführt wird, daß

• a) aus dem Meßstrom zweier Strangströme i_1M und i_2M der Betrag der Stromraumzeigers i_AM
  bestimmt und der Betragsfehler des Stromes
  δi_A = |i_R|-i_AM
  über einen Korrekturregler auf den Betragssollwert |i_R| addiert wird und daß
• b) aus dem Meßstrom zweier Strangströme i_1M und i_2M sowie aus dem Winkelkommando ε_C des Stromraumzeigers ein Maß für den Winkelfehler
  iδε = i_1M.sin(ε_C)- i_YS.cos(ε_C)
  mit
  bestimmt und über einen Korrekturregler auf den Winkelsollwert ε_C addiert wird.