DE102007008552A1

DE102007008552A1 - Method and device for monitoring the operation of a synchronous machine

Info

Publication number: DE102007008552A1
Application number: DE102007008552A
Authority: DE
Inventors: Mihaly Dr. Nemeth-Csoka
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 2007-02-21
Filing date: 2007-02-21
Publication date: 2008-08-28
Also published as: WO2008101837A2; WO2008101837A3

Abstract

Bei einem Verfahren und einer Vorrichtung zur Überwachung des Betreibens einer Synchronmaschine (1, 1') mit einem eine bestromte Ständerwicklung zur Erzeugung eines Ständerfeldes aufweisenden Ständer (3, 3') und mit einem Magnetpole bildenden Läufer (2, 2') wird aus einer Abweichung der Richtung der Beschleunigung des Läufers (2, 2') und der Richtung des betriebsbedingt erzeugten Drehmomentes (M) bzw. der Kraft (F) auf einen Mittkopplungszustand erkannt.In a method and a device for monitoring the operation of a synchronous machine (1, 1 ') with a current-carrying stator winding for generating a stator field having stator (3, 3') and with a magnetic poles forming rotor (2, 2 ') is from a Deviation of the direction of acceleration of the rotor (2, 2 ') and the direction of the operationally generated torque (M) or the force (F) detected on a Mittkopplungszustand.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Überwachung des Betreibens einer Synchronmaschine mit einer bestromten Stator- oder Ständerwicklung zur Erzeugung eines Ständerfeldes und mit einem Läufer mit einer Anzahl von Magnetpolen. Unter Synchronmaschine wird hierbei sowohl eine rotatorische Synchronmaschine als auch eine lineare Synchronmaschine (Linearmaschine) verstanden. Bei einer solchen, beispielsweise als Werkzeugmaschine eingesetzten Linearmaschine werden der bestromte Maschinenteil als Primärteil und der mit Magneten versehene, permanetmagnetische Maschinenteil als Sekundärteil bezeichnet.The The invention relates to a method and a device for monitoring operating a synchronous machine with an energized stator or stator winding for generating a stator field and with a runner with a number of magnetic poles. Under synchronous machine is doing this both a rotary synchronous machine and a linear one Synchronous machine (linear machine) understood. With such, For example, used as a machine tool linear machine become the energized machine part as a primary part and the magnet provided, permanent magnetic machine part referred to as a secondary part.

Eine derartige Synchronmaschine mit einer ständer- bzw. sekundärseitigen, üblicherweise dreisträngigen und mit einem dreiphasigen sinusförmigen Wechselstrom oder Drehstrom gespeisten Drehfeldwicklung weist einen auch als Polrad bezeichneten wicklungslosen Läufer auf, der mit Permanent- oder Dauermagneten versehen ist. Diese bilden alternierende Magnetpole, d. h. die zum Luftspalt zwischen dem Ständer und dem Läufer hin gerichteten Nord- und Südpole der Magnetpole wechseln sich entlang des Läufers oder Läuferumfangs ab. Die Gesamtzahl aller Magnetpole gibt dabei die Polzahl (2 p) an, wobei benachbarte Nord- und Südpole so genannte Polpaare (Polpaarzahl p) bilden.A Such synchronous machine with a stator or secondary side, usually three-stranded and with a three-phase sinusoidal AC or three-phase AC field winding has a also known as a flywheel without a runner, which with permanent or permanent magnet is provided. These form alternating magnetic poles, d. H. directed towards the air gap between the stator and the rotor North and South poles the magnetic poles alternate along the rotor or rotor circumference from. The total number of magnetic poles gives the number of poles (2 p) on, with adjacent north and south poles so-called pole pairs Form (pole pair number p).

Unabhängig von einer speziellen Anordnung der Dauermagnete erzeugen diese im Luftspalt ein auch als Erregerfeld bezeichnetes Läuferfeld. Die mittels eines Speisestroms gespeiste Ständerwicklung erzeugt im Luftspalt ein rotierendes bzw. lineares magnetisches Ständerfeld mit der der Polzahl des Läuferfeldes entsprechenden Polzahl. In Folge der Wechselwirkung zwischen dem Läuferfeld und dem Ständerfeld entsteht ein Drehmoment (M) bzw. eine Kraft (F) der Synchronmaschine.Independent of a special arrangement of the permanent magnets produce these in the air gap a runner field, also referred to as an exciting field. The means of a Supply current fed stator winding generates in the air gap a rotating or linear magnetic stator field with the number of poles of the rotor field corresponding number of poles. As a result of the interaction between the rotor field and the stator field creates a torque (M) or a force (F) of the synchronous machine.

Die Synchronmaschine wird, beispielsweise in Verbindung mit einem Frequenzumrichter und einer Pulsweitenmodulation, geregelt mit variabler Drehzahl bzw. Geschwindigkeit betrieben. Dabei wird der Ständerwicklung der Synchronmaschine über den Umrichter ein (elektrischer) Strom zugeführt, der sich aus einem so genannten Längsstromanteil (I_d) und einem Querstromanteil (I_q) zusammensetzt.The synchronous machine is, for example, operated in conjunction with a frequency converter and a pulse width modulation, controlled at variable speed or speed. In this case, the stator winding of the synchronous machine is supplied via the inverter an (electric) current, which consists of a so-called longitudinal flow component (I _d ) and a transverse flow component (I _q ).

Im stationären Betrieb bewegt sich die Synchronmaschine mit synchroner Drehzahl (Geschwindigkeit), indem sich der Läufer mit einer der Drehzahl (Geschwindigkeit) des Ständerfeldes entsprechenden Drehzahl (Geschwindigkeit) bewegt. Je nach Winkellage (Position) des Läufers relativ zum Ständerfeld ist dieses Drehmoment bzw. die Kraft positiv (M bzw. F > 0) oder negativ (M bzw. F < 0). Die Winkellage (Position) des Läufers ist daher ein für den geregelten oder gesteuerten Betrieb einer solchen Maschine maßgebender Parameter, indem die Orientierung des Reglers (Feldorientierung) aus der aktuellen Winkellage berechnet ist.in the stationary Operation, the synchronous machine moves at synchronous speed (Speed) by the runner with one of the speed (speed) of the stator field corresponding speed (speed) moves. Depending on the angular position (Position) of the runner relative to the stator field is this torque or force positive (M or F> 0) or negative (M or F <0). The Angular position (position) of the runner is therefore a for the regulated or controlled operation of such a machine authoritative Parameters by the orientation of the controller (field orientation) calculated from the current angular position.

Im Normalbetrieb einer solchen Synchronmaschine entspricht die Richtung des Drehmomentes bzw. der Kraft stets der Richtung der Beschleunigung. Diese Gesetzmäßigkeit bezieht sich auf alle im System vorhandenen Drehmomente (Kräfte), so dass auch externe, d. h. nicht vom Antrieb unmittelbar verursachte Drehmomente (Kräfte), wie insbesondere ein externes Drehmoment, schwingungsfähige Systeme und die Energiespeicherung im System, berücksichtigt werden. Entspricht demgegenüber die Beschleunigung nicht der Richtung des Drehmomentes bzw. der Kraft, so tritt die so genannte Mitkopplung auf. Eine solche Fehlersituation während des Betriebs der Synchronmaschine kann zu Schäden führen, so dass in einem solchen Fehlerfall die Synchronmaschine möglichst schnell abgebremst werden muss.in the Normal operation of such a synchronous machine corresponds to the direction of the torque or force always the direction of acceleration. This law refers to all existing torques (forces) in the system, so that also external, d. H. not directly caused by the drive torques (Forces), such as in particular an external torque, oscillatory systems and the energy storage in the system. Complies In contrast, the acceleration is not the direction of the torque or the Force, so the so-called positive feedback occurs. Such a mistake situation while Operation of the synchronous machine can cause damage, so in such a case Fault, the synchronous machine slowed down as quickly as possible must become.

Ein solcher Mitkopplungseffekt wird bisher üblicherweise erst erkannt, wenn die Drehzahl (Geschwindigkeit) der Synchronmaschine einen Schwellwert erreicht hat, der beispielsweise auf den Grenzwert des zur Regelung oder Steuerung der Synchronmaschine eingesetzten Regler (Drehzahl- oder Geschwindigkeitsregler) abgestimmt ist. In vielen Anwendungsfällen ist die diesbezüglich vorgegebene oder eingestellte Zeit, innerhalb derer bei dieser Art der Überwachung ein fehlerhafter Zustand erkannt wird, unerwünscht lang.One such positive feedback effect is usually recognized only if the speed (speed) of the synchronous machine has a threshold value has reached, for example, the limit of the regulation or control of the synchronous machine used controller (speed or Speed controller) is tuned. In many applications is the in this regard given or set time within which this type the surveillance a faulty condition is detected, undesirably long.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Überwachung des Betreibens einer solchen, rotatorischen bzw. linearen Synchronmaschine anzugeben, bei dem ein solcher Mitkopplungseffekt zuverlässig überwacht und insbesondere in möglichst kurzer Zeit erkannt wird. Des weiteren soll eine hierzu besonders geeignete Vorrichtung angegeben werden.Of the Invention is based on the object, a method for monitoring the operation of such a rotary or linear synchronous machine in which such a positive feedback effect is reliably monitored and in particular as possible a short time is detected. Furthermore, a special for this purpose suitable device can be specified.

Bezüglich des Verfahrens wird die genannte Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der hierauf rückbezogenen Unteransprüche.Regarding the Method, the object is achieved by the invention The features of claim 1. Advantageous developments are the subject the back referenced Dependent claims.

Dazu wird aus einer Abweichung der Richtung der Beschleunigung des Läufers und der Richtung des betriebsbedingt erzeugten Drehmomentes oder der Kraft bzw. der Dreh- oder Bewegungsrichtung der Synchronmaschine oder deren Läufers auf einen Mittkopplungszustand erkannt. Hierbei werden zweckmäßigerweise sowohl der zeitliche Verlauf der Drehzahl bzw. der Geschwindigkeit erfasst als auch die zeitliche Änderung der Drehzahl bzw. der Geschwindigkeit ermittelt.For this purpose, a deviation of the direction of the acceleration of the rotor and the direction of the operationally generated torque or the force or the rotational or movement direction of the synchronous machine or its rotor is detected to a Mittkopplungszustand. Here, both the time course of the speed and the speed are suitably detected as well determines the temporal change of the speed or the speed.

Zweckmäßigerweise wird die Richtung der Beschleunigung des Läufers aus dem Vorzeichen (+/–) der zeitlichen Änderung der Drehzahl (dn/dt) bzw. der Geschwindigkeit (dv/dt) ermittelt wird. Auch wird geeigneterweise der zeitliche Verlauf des drehmoment- bzw. kraftbildenden Querstroms der bestromten Ständerwicklung erfasst.Conveniently, becomes the direction of the acceleration of the runner from the sign (+/-) of the temporal change the speed (dn / dt) or the speed (dv / dt) determined becomes. Also suitably the time course of the torque or force-forming cross-current of the current-carrying stator winding detected.

Die Richtung des betriebsbedingt erzeugten Drehmomentes bzw. der Kraft wird aus einem dem Drehmoment bzw. der Kraft zugeordneten Vorzeichen (+/–) ermittelt. Dabei wird vorzugsweise einem über die Zeit ansteigenden oder zunehmenden, positiven Drehmoment bzw. einer über die Zeit ansteigenden oder zunehmenden, positiven Kraft ein positives Vorzeichen (Plus-Zeichen) und einem über die Zeit ansteigenden (zunehmenden), negativen Drehmoment bzw. einer über die Zeit ansteigenden (zunehmenden), negativen Kraft ein negatives Vorzeichen (Minus-Zeichen) zugeordnet.The Direction of operationally generated torque or force becomes from a torque or force associated sign (+/-) determined. In doing so, it is preferable to increase one over time or increasing, positive torque or increasing over time or increasing, positive force a positive sign (plus sign) and one over the time increasing (increasing), negative torque or one over the Time increasing (increasing), negative force associated with a negative sign (minus sign).

In besonders vorteilhafter Weiterbildung wird ein Steuersignal zum Abbremsen der Synchronmaschine erst dann erzeugt, wenn zumindest die beiden nachfolgenden Bedingungen gemeinsam erfüllt sind. So besteht die erste Bedingung darin, dass eine Abweichung der Richtung der Beschleunigung des Läufers und der Richtung des Drehmomentes bzw. der Kraft erkannt wird. Die zweite Bedingung besteht darin, dass ein vorgegebener Grenzwert des Drehmomentes bzw. der Kraft, insbesondere das betriebsbedingte Maximum des Drehmomentes bzw. der Kraft, vorzugsweise dauerhaft erreicht ist.In Particularly advantageous development is a control signal for Braking the synchronous machine generated only if, at least the two following conditions are fulfilled together. So The first condition is that there is a deviation of direction the acceleration of the runner and the direction of the torque or the force is detected. The second condition is that a given limit the torque or the force, in particular the operational Maximum torque or force, preferably permanently is reached.

Wird zudem bei Erreichen des Grenzwertes ein Zeitglied gestartet und das Steuersignal zum Abbremsen der Synchronmaschine erst nach Ablauf der mittels des Zeitgliedes eingestellte Zeit erzeugt, so wird eine besonders günstige Robustheit der Synchronmaschine erreicht. Die bedeutet, dass mittels des als vorgebbarer Paramter bereitgestellten Zeitgliedes die Empfindlichkeit der erfindungsgemäßen Mitkopplungs-Überwachung derart eingestellt werden kann, dass unnötige Betriebsunterbrechungen der Synchronmaschine vermieden werden.Becomes in addition, when the limit value is reached, a timer is started and the control signal for braking the synchronous machine only after expiration the time set by the timer generates, so is a especially cheap Robustness of the synchronous machine achieved. This means that by means of as a definable parameter provided timer the sensitivity set the Mitkopplungs-monitoring according to the invention in such a way that can be unnecessary Operating interruptions of the synchronous machine can be avoided.

Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass ein verbessertes Betriebsverhalten einer Synchronmaschine erreicht wer den kann, wenn das Auftreten einer Mitkopplung möglichst frühzeitig und insbesondere bereits bei vergleichsweise niedrigen Drehzahlen zuverlässig erkannt wird. Eine solche Fehlererkennung bereits bei niedrigen Drehzahlen (Geschwindigkeiten) ist aus Sicherheitsgründen deshalb von Bedeutung, weil die Energie einer solchen Synchronmaschine während deren Betrieb proportional zum Quadrat der Drehzahl bzw. der Geschwindigkeit ansteigt.The Invention goes from consideration from that improved performance of a synchronous machine achieved who can, if the occurrence of a positive feedback as possible early and especially at relatively low speeds reliable is recognized. Such error detection already at low Speed (speeds) is for safety reasons therefore important because the energy of such a synchronous machine during their Operating proportional to the square of the speed or the speed increases.

So tritt beispielsweise eine solche Mitkopplung auf, wenn die Pol- oder Läuferlage und die in der Regelung oder Steuerung der Synchronmaschine herangezogene Pollage-Information um einen bestimmten Wert voneinander abweichen. Dabei kann sich die Synchronmaschine mit unter Umständen maximaler Drehzahl (Geschwindigkeit) unkontrolliert in die falsche Richtung bewegen. Dieser zu vermeidende Zustand der Synchronmaschine muss zunächst erkannt werden, um entsprechende Gegenmaßnahmen zur Vermeidung von Schäden an Mensch und Maschine treffen zu können.So occurs, for example, such positive feedback when the pole or runner position and those used in the control or regulation of the synchronous machine Pollage information differ by a certain value. In this case, the synchronous machine with possibly maximum Speed (speed) uncontrolled in the wrong direction move. This to be avoided state of the synchronous machine must first be recognized to appropriate countermeasures to avoid damage to be able to meet man and machine.

So kann eine falsche Pollage oder Pollage-Information verursacht werden, wenn ein entsprechender Geber eine fehlerhafte Absolutinformation, insbesondere während des Hochlaufs der Synchronmaschine, oder aber eine fehlerhafte Inkremental-Information während des Betriebes der Synchronmaschine liefert. Fehler bei der Pollage-Identifikation oder im sensorlosen Betrieb können ebenfalls Ursache für eine falsche Pollage sein.So can an incorrect pole position or pole position information be caused if a corresponding encoder erroneous absolute information, in particular while the startup of the synchronous machine, or a faulty incremental information while the operation of the synchronous machine supplies. Error in pole position identification or in sensorless operation also cause for to be a wrong pole position.

Zwar können zur Überwachung einer korrekten Pollage beim Hochlaufen der Synchronmaschine eine so genannte Rotor- oder Pollagen-Identifikation und die vom Geber ausgelesene Absolutlage miteinander verglichen und bei einer groben Abweichung ein fehlerhafter Zustand identifiziert werden. Diese Identifikation benötigt jedoch eine relativ lange Zeit und verursacht zudem Bewegungen und Geräusche, die bei vielen Anwendungen unakzeptabel sind.Though can for monitoring a correct pole position when starting the synchronous machine a so-called rotor or pole position identification and that of the encoder read absolute position compared with each other and a coarse Deviation a faulty condition can be identified. This identification needed but a relatively long time and also causes movements and Noises that unacceptable in many applications.

Eine weitere Überwachungsmöglichkeit besteht in einer Kontrolle des Reglers (Drehzahl-/Geschwindigkeitsregler). Arbeitet nämlich der Regler über einen längeren Zeitraum, beispielsweise in einem Bereich von mehreren 10 ms als einstellbarer Parameter im Bereich der Sättigung, so ist der Regler nicht mehr in der Lage, Regler- oder Regelungsabweichungen auszugleichen. Da ein Beschleunigungsvorgang bei normalem Betrieb der Synchronmaschine typischerweise in dieser zeitlichen Größenordnung liegt, kann zwangsläufig ein entsprechender Fehler erst nach Ablauf dieser relativ langen Zeitspanne erkannt werden. Während dieser Zeitspanne kann die Synchronmaschine jedoch bereits eine sehr große, aus Sicherheitsgründen für Mensch und Maschine unzulässig hohe Drehzahl bzw. Geschwindigkeit erreicht haben.A further monitoring option consists in a control of the controller (speed / speed controller). It works the controller over a longer one Period, for example in a range of several 10 ms as adjustable parameter in the range of saturation, so the controller is not more able to compensate for controller or control deviations. Since an acceleration operation during normal operation of the synchronous machine typically in this temporal order, can inevitably corresponding error only after expiration of this relatively long period of time be recognized. While However, this time span, the synchronous machine already has a very big, for safety reasons for humans and Machine not allowed have reached high speed or speed.

Bezogen auf ein läufer- oder läuferflussfestes Koordinatensystem (d-q-Koordinatensystem) stellt der quer zur Längsrichtung des Läufers (d-Achse) und somit in Richtung der q-Achse orientierte Querstrom (I_q) den Drehmoment (Kraft) bildenden Strom dar. Der Querstrom kann daher als Parameter, Regel-, Steuer- und/oder Messgröße zur Bestimmung des aktuellen, betriebsbedingten Drehmomentes (M) und somit als Ist-Wert des Drehmomentes herangezogen werden. Analog ist bei einer Linearmaschine der Querstrom ein Maß für die Kraft (F).With reference to a rotor or rotor flux-fixed coordinate system (dq coordinate system), the transverse current (I _q ) oriented transversely to the longitudinal direction of the rotor (d-axis) and thus in the direction of the q-axis represents the torque (force) -forming current. The transverse current can therefore as a parameter, control, and / or measure to Bestim tion of the current, operational torque (M) and thus be used as the actual value of the torque. Analogously, in a linear machine, the transverse flow is a measure of the force (F).

Die zeitliche Änderung der Drehzahl bei der rotatorischen Maschine bzw. die zeitliche Änderung der Geschwindigkeit bei der Linearmaschine ist ein Maß für die Beschleunigung der Synchronmaschine.The temporal change the rotational speed of the rotary machine or the time change of Speed in the linear machine is a measure of the acceleration the synchronous machine.

Bezüglich der Vorrichtung wird die genannte Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 9. Hierzu ist ein Überwachungsmodul vorgesehen, dem eingangsseitig ein die zeitliche Änderung der Drehzahl bzw. der Geschwindigkeit repräsentierendes Signal und ein den zeitlichen Verlaufs des Querstroms repräsentierendes Signal zugeführt ist.Regarding the The device is achieved by the object mentioned by the features of claim 9. For this purpose, a monitoring module is provided, the input side, a the time change of the speed or the Speed representing Signal and a time course of the cross flow representing Signal supplied is.

Das Überwachungsmodul ist dazu ausgebildet, aus einer Abweichung der aus der Drehzahl- oder Geschwindigkeitsänderung ermittelten Richtung der Beschleunigung und der aus dem Querstrom ermittelten Richtung des Drehmomentes bzw. der Kraft einen Mitkopplungs-Zustand der Synchronmaschine zu erkennen. Die Ermittlung einer derartigen Abweichung erfolgt dadurch, dass das Überwachungsmodul lediglich ein Vorzeichenvergleich durchführt und aus unterschiedlichen Vorzeichen auf eine Mittkopplung der Synchronmaschine bzw. auf ein Kippen deren Regelung schließt.The monitoring module is adapted to a deviation from the speed or speed change determined direction of acceleration and out of the cross-flow determined direction of the torque or force a positive feedback state to recognize the synchronous machine. The determination of such Deviation occurs because the monitoring module only performs a sign comparison and from different signs on a Mittkopplung the synchronous machine or on a tilt whose regulation closes.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:following Be exemplary embodiments of Invention explained in more detail with reference to a drawing. Show:

1 schematisch eine rotatorische Synchronmaschine mit in entgegengesetzter Drehrichtung orientiertem Drehmoment und zeitlicher Drehzahländerung (Mitkopplung), 1 schematically a rotary synchronous machine with oriented in the opposite direction of rotation torque and temporal speed change (positive feedback),

2 die Verhältnisse gemäß 1 bei einer linearen Synchronmaschine (Linearmaschine), 2 the conditions according to 1 in a linear synchronous machine (linear machine),

3 in einer Diagrammdarstellung ein Drehzahl- und Querstrom-Verlauf über die Zeit im Falle einer Mitkopplung ohne Mitkopplungs-Überwachung und ohne Überwachung der Reglerfunktion auf eine maximal kontrollierbare Drehzahl bzw. Geschwindigkeit (Regler-Sättigung), 3 in a diagram representation of a speed and cross-current curve over time in the case of a positive feedback without positive feedback monitoring and without monitoring the controller function to a maximum controllable speed or speed (controller saturation),

4 in einem Diagramm gemäß 3 die entsprechenden Verhältnisse im Falle einer Mitkopplung wiederum ohne Mitkopplungs-Überwachung, jedoch mit Überwachung der Reglerfunktion (Regler-Sättigung), 4 in a diagram according to 3 the corresponding conditions in the case of a positive feedback in turn without positive feedback monitoring, but with monitoring of the controller function (controller saturation),

5 in einer Diagrammdarstellung einen Drehzahl- sowie Querstrom-Verlauf über die Zeit mit resultierenden Vorzeichen der zeitlichen Drehzahl-/Geschwindigkeitsänderung und des Drehmomentes (m) bzw. der Kraft (f), 5 in a diagram representation of a speed and cross-flow curve over time with the resulting sign of the temporal speed / speed change and the torque (m) or the force (f),

6 in einem Diagramm gemäß den 3 und 4 die Verhältnisse im Falle einer Mitkopplung mit Mitkopplungs-Überwachung, 6 in a diagram according to the 3 and 4 the conditions in the case of a positive feedback with positive feedback monitoring,

7 ein zugehöriges Zählraten-Zeit-Diagramm, und 7 an associated count rate-time diagram, and

8 schematisch in einer Blockdarstellung Funktionsbausteine einer Vorrichtung zur Überwachung des Betriebszustandes der Synchronmaschine. 8th schematically in a block diagram functional components of a device for monitoring the operating state of the synchronous machine.

Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.each other corresponding parts are in all figures with the same reference numerals Mistake.

1 zeigt schematisch eine permanenterregte Synchronmaschine 1 mit in nicht näher dargestellter Art und Weise einem mit Dauermagneten versehenen Rotor oder Läufer 2 sowie mit einem diesen unter Bildung eines Luftspaltes umgebenden Ständer oder Stator mit einer Ständerwicklung 3. Die entgegengerichteten Pfeile symbolisieren einen Betriebszustand der Synchronmaschine 1, bei dem Mitkopplung aufgetreten ist. 1 schematically shows a permanent magnet synchronous machine 1 with in a manner not shown a permanent magnet provided rotor or rotor 2 and with a stator or stator surrounding it with the formation of an air gap with a stator winding 3 , The opposite arrows symbolize an operating state of the synchronous machine 1 , in which positive feedback has occurred.

In einem solchen Mittkopplungs-Fall ist je nach Drehrichtung oder Orientierung entweder das Drehmoment M größer als Null (M > 0) und die zeitliche Ableitung der Drehzahl n kleiner als Null (dn/dt < 0) oder das Drehmoment M kleiner Null (M < 0) und die zeitliche Änderung der Drehzahl größer als Null (dn/dt > 0). In beiden Fällen ist das Produkt aus Drehmoment M und Drehzahländerung dn/dt kleiner Null (M·dn/dt < 0).In Such a Mittkopplungs case is depending on the direction of rotation or orientation either the torque M greater than Zero (M> 0) and the time derivative of the speed n less than zero (dn / dt <0) or the torque M less than zero (M <0) and the temporal change the speed is greater than Zero (dn / dt> 0). In both cases is the product of torque M and speed change dn / dt less than zero (M · dn / dt <0).

Analog verhält es sich bei einer in 2 veranschaulichten linearen Synchronmaschine (Linearmaschine) 1' mit einem mit einer Wicklung versehenen Primärteil 3' und einem Sekundärteil 2'. Bei einer derartigen, beispielsweise als Werkzeugmaschine eingesetzten Linearmaschine 1' treten an die Stelle des Drehmomentes die Kraft F und an die Stelle der Drehzahländerung die Geschwindigkeitsänderung dv/dt. In den Fällen des dargestellten Mitkopplungs-Zustandes ist auch hier das Produkt aus Kraft und Geschwindigkeitsänderung kleiner Null (F·dv/dt < 0).The same is true for a 2 illustrated linear synchronous machine (linear machine) 1' with a primary part provided with a winding 3 ' and a secondary part 2 ' , In such, for example, used as a machine tool linear machine 1' In the place of the torque, the force F and in place of the speed change the speed change dv / dt. In the cases of the illustrated positive feedback state, the product of force and speed change is also smaller than zero (F · dv / dt <0).

Aufgrund der Proportionalität des Drehmomentes M bzw. der Kraft F zum so genannten Querstrom I_q einer derartigen elektrischen Synchronmaschine 1, 1' kann zur Bestimmung des Drehmomentes M bzw. der Kraft F der als Parameter oder Messgröße bzw. als Ist-Wert in der Regelung oder Steuerung einer solchen Synchronmaschine 1, 1' vorhandene Querstrom I_q herangezogen und daraus das Drehmoment M bzw. die Kraft F bestimmt werden. Bei den nachfolgenden Ausführungen wird daher der Querstrom I_q repräsentativ für das Drehmoment M der rotatorischen Synchronmaschine 1 bzw. für die Kraft F der Linearmaschine 1' herangezogen.Due to the proportionality of the torque M and the force F to the so-called cross-current I _q of such an electric synchronous machine 1 . 1' can for determining the torque M and the force F as a parameter or measured variable or as an actual value in the control or regulation of such a synchronous machine 1 . 1' existing transverse current I _q used and from the torque M and the force F can be determined. In the following embodiments, therefore, the transverse current I _{q is} representative of the torque M of the rotary synchronous machine 1 or for the force F of the linear machine 1' used.

In den 3 und 4 sind typische, beispielsweise durch die Simulation einer fehlerhaften Pollage-Information innerhalb der Regelung der Synchronmaschine 1, 1' herbeigeführte zeitliche Verläufe der Drehzahl n(t) und des Querstroms I_q(t) im Falle einer Mitkopplung dargestellt. Dabei zeigt 3 den Zustand der Mitkopplung ohne erfindungsgemäße Mitkopplungs-Überwachung und ohne Überwachung des in die Regelung der Synchronmaschine 1, 1' eingebundenen Reglers (ohne "Drehzahlregler am Anschlag"-Überwachung).In the 3 and 4 are typical, for example by the simulation of a faulty pole position information within the control of the synchronous machine 1 . 1' brought about temporal profiles of the speed n (t) and the cross-current I _q (t) shown in the case of a positive feedback. It shows 3 the state of the positive feedback without positive feedback monitoring according to the invention and without monitoring in the control of the synchronous machine 1 . 1' integrated controller (without "speed controller at stop" monitoring).

4 zeigt einen Mitkopplungs-Zustand wiederum ohne Mitkopplungs-Überwachung, jedoch mit einer Überwachung des Einlaufens des Drehzahlreglers in die Sättigung (mit "Drehzahlregler am Anschlag"-Überwachung). Ausgangszustand der in den 3 und 4 dargestellten Verläufe sind eine Drehzahl n = 0 und eine falsche Pollage-Information der Synchronmaschine 1, 1' sowie das daraus folgende Verhalten der Regelung der Synchronmaschine 1, 1'. 4 shows a positive feedback state again without positive feedback monitoring, but with a monitoring of the running of the speed controller in the saturation (with "speed controller at stop" monitoring). Initial state of the in the 3 and 4 Traces shown are a speed n = 0 and a wrong pole position information of the synchronous machine 1 . 1' and the consequent behavior of the control of the synchronous machine 1 . 1' ,

Aufgrund der fehlerhaften Pollage oder Pollage-Information steuert die Regelung die Synchronmaschine 1, 1' über den Querstrom I_q(t) in einen Betriebszustand mit kontinuierlich zunehmender (negativer) Drehzahl, um den dem Soll-Wert (n = 0) entsprechenden Betriebszustand der Synchronmaschine 1, 1' zu erreichen. Erst bei Erreichen eines eingestellten abhängigen Drehzahlgrenzwertes wird dieser Fehlerzustand erkannt und die Synchronmaschine 1, 1' abgeschaltet oder abgebremst. Dies ist in den Darstellungen nach den 3 und 4 anhand des spontanen Absinkens des Querstroms I_q ersichtlich.Due to the faulty pole position or pole position information, the controller controls the synchronous machine 1 . 1' via the transverse current I _q (t) into an operating state with continuously increasing (negative) rotational speed, by the operating state of the synchronous machine corresponding to the nominal value (n = 0) 1 . 1' to reach. Only when a set dependent speed limit value is reached, this fault condition is detected and the synchronous machine 1 . 1' switched off or decelerated. This is in the illustrations after the 3 and 4 on the basis of the spontaneous sinking of the cross-flow I _q .

Dieser Vorgang erfordert gemäß der Darstellung nach 3 bei einer Zeiteinteilung von beispielsweise 20 ms pro strichliniert dargestellter Zeiteinteilung einer Reaktionszeit von etwa 100 ms (ohne "Drehzahlregler am Anschlag"-Überwachung). Mit der in 4 veranschaulichten Überwachung auf den Sättigungszustand des Reglers (mit "Drehzahlregler am Anschlag"-Überwachung) ist diese Reaktionszeit zwar auf ca. 60 ms reduziert, jedoch hinsichtlich geforderter oder gewünschter Sicherheitsaspekte verhältnismäßig lang. Hierbei ist zu berücksichtigen, dass innerhalb dieser vergleichsweise langen Reaktionszeit die Synchronmaschine 1, 1' bereits eine sehr hohe Drehzahl (Geschwindigkeit) erreicht und damit eine entsprechend große Energie gespeichert hat.This process requires as shown 3 at a time division of, for example, 20 ms per dashed time division of a response time of about 100 ms (without "speed controller at stop" monitoring). With the in 4 Although monitoring for the saturation state of the controller (with "speed controller at stop" monitoring) is illustrated, this reaction time is reduced to approximately 60 ms, but relatively long in terms of required or desired safety aspects. It should be noted that within this comparatively long reaction time, the synchronous machine 1 . 1' already achieved a very high speed (speed) and thus has stored a correspondingly large energy.

In 5 ist im oberen Diagrammteil ein typischer Drehzahlverlauf n(t), ausgehend von einer über die Zeit ansteigenden Drehzahl n und einer sich daran anschließenden schwankenden Drehzahl n, veranschaulicht. In dem darunter liegenden Diagramm ist der zugehörige Verlauf des Querstroms I_q(t) veranschaulicht. Zudem ist oberhalb des oberen Diagramms das zu dem Drehzahlverlauf n(t) zugehörige Vorzeichen der Drehzahl- bzw. Geschwindigkeitsänderung (dn/dt, dv/dt) eingetragen. Analog ist unterhalb des unteren Diagramms in den korrespondierenden Zeitabschnitten oder Zeitintervallen das entsprechende Vorzeichen des Momenten- bzw. Kraftverlaufes (m, f) eingetragen.In 5 is in the upper part of the diagram, a typical speed curve n (t), starting from a time increasing speed n and a subsequent fluctuating speed n, illustrated. The diagram below shows the corresponding course of the cross current I _q (t). In addition, above the upper diagram to the speed curve n (t) associated sign of the speed or speed change (dn / dt, dv / dt) is entered. Analogously, the corresponding sign of the moment or force curve (m, f) is entered below the lower diagram in the corresponding time segments or time intervals.

Erkennbar ist, dass die Vorzeichen (+/–) innerhalb der entsprechenden Zeitintervalle übereinstimmen. Dies bedeutet, dass in diesem Betriebszustand der Synchronmaschine 1, 1' die Richtung des Drehmomentes M, m bzw. der Kraft F, f der Richtung der Beschleunigung (dn/dt; dv/dt) der Synchronmaschine 1, 1' entspricht. Die erfindungsgemäße Überwachung des Betriebszustandes der Synchronmaschine 1, 1' erkennt somit, dass keine Mitkopplung vorliegt.It can be seen that the signs (+/-) agree within the corresponding time intervals. This means that in this operating state of the synchronous machine 1 . 1' the direction of the torque M, m or the force F, f of the direction of the acceleration (dn / dt; dv / dt) of the synchronous machine 1 . 1' equivalent. The inventive monitoring of the operating state of the synchronous machine 1 . 1' thus recognizes that there is no positive feedback.

Sind demgegenüber innerhalb derartiger Zeitintervalle die Vorzeichen (+), (–) der Drehzahl- oder Geschwindigkeitsänderung (dn/dt bzw. dv/dt) einerseits und das Vorzeichen (+), (–) des Querstrom I_q – und damit des Drehmomentes M, m bzw. der Kraft F, f – unterschiedlich, so erkennt die erfindungsgemäße Überwachung einen Mitkopplungs-Zustand. Die Reaktionszeit ist dabei vergleichsweise gering und beträgt gemäß den nachfolgend anhand der 6 und 7 erläuterten Bedingungen weniger als 20 ms.In contrast, within such time intervals, the signs (+), (-) of the speed or speed change (dn / dt or dv / dt) on the one hand and the sign (+), (-) of the cross-current I _q - and thus the torque M , m or the force F, f - different, the monitoring according to the invention recognizes a positive feedback state. The reaction time is comparatively low and amounts to in the following with reference to 6 and 7 explained conditions less than 20 ms.

So zeigt 6 wiederum den zeitlichen Verlauf der Drehzahl n(t) bei einem Drehzahl-Soll-Wert von n = 0 und einer wiederum fehlerhaften Pollage oder Pollage-Information der Regelung der Synchronmaschine 1, 1'. Der Verlauf des von der Regelung der Synchronmaschine 1, 1' eingestellten Querstroms I_q(t) steigt wiederum mit der Folge an, dass die Synchronmaschine 1, 1' beschleunigt wird und demzufolge die Drehzahl n zu (negativen) Drehzahlwerten hin ansteigt. Innerhalb des dargestellten Zeitintervalls Δt erkennt die erfindungsgemäß Überwachung aufgrund des unterschiedlichen Vorzeichens (+/–) der Drehzahl- bzw. Geschwindigkeitsänderung (dn/dt; dv/dt) einerseits und des Vorzeichens (+/–) des Verlaufes des Drehmomentes M, m bzw. der Kraft F, f auf einen fehlerhaften Betriebszustand (Mitkopplung bzw. kippen der Regelung) der Synchronmaschine 1, 1'.So shows 6 in turn, the time course of the rotational speed n (t) at a speed setpoint value of n = 0 and a turn incorrect pole position or pole position information of the control of the synchronous machine 1 . 1' , The course of the regulation of the synchronous machine 1 . 1' set cross-current I _q (t) in turn increases with the consequence that the synchronous machine 1 . 1' is accelerated and consequently the rotational speed n increases towards (negative) rotational speed values. Within the illustrated time interval .DELTA.t detects the invention monitoring due to the different sign (+/-) of the speed or speed change (dn / dt; dv / dt) on the one hand and the sign (+/-) of the curve of the torque M, m or of the force F, f to a faulty operating state (positive feedback or tilting of the control) of the synchronous machine 1 . 1' ,

Im vorliegenden Fall ist die Änderung (dn/dt bzw. dv/dt) der Beschleunigung und somit das Vorzeichen negativ (–), während in diesem Zeitintervall Δt der Verlauf des Drehmomentes M, m bzw. der Kraft F, f und somit das Vorzeichen positiv (+) ist. Somit ist für die Überwachung des Betriebszustandes der Syn chronmaschine 1, 1' bereits die Bedingung erfüllt, dass eine Mitkopplung eingetreten ist.In the present case, the change (dn / dt or dv / dt) of the acceleration and thus the sign is negative (-), while in this time interval .DELTA.t the curve of the torque M, m or the force F, f and thus the sign positive (+). So with is for the monitoring of the operating state of Syn chronmaschine 1 . 1' already fulfilled the condition that a positive feedback has occurred.

Zur Vermeidung von Fehlreaktionen und damit zur Erhöhung der Robustheit des Betriebsverhaltens der Synchronmaschine 1, 1' wird mittels des Überwachungsverfahrens – bzw. der nachfolgend beschriebenen Überwachungsvorrichtung – ein Zeitglied gestartet.To avoid faulty reactions and thus to increase the robustness of the operating behavior of the synchronous machine 1 . 1' a timer is started by means of the monitoring method or the monitoring device described below.

Innerhalb der mittels dieses Zeitgliedes eingestellten oder vorgegebenen Zeitspanne Δt wird eine weitere Bedingung des Betriebszustandes der Synchronmaschine 1, 1' abgefragt. Diese weitere Bedingung ist orientiert oder gekoppelt an eine Information bzw. ein Signal des Drehzahlreglers, ob ein beispielsweise vorgegebenes oder eingestelltes maximales Drehmoment M_max bzw. eine maximale Kraft F_max erreicht ist. Sind diese Bedingung oder dieses Kriterium sowie gleichzeitig die Bedingung bzw. das Kriterium des Mittkopplungszustandes erfüllt und ist das vorreingestellte Zeitintervall Δt des Zeitgliedes abgelaufen, so wird die Synchronmaschine 1, 1' stromlos geschaltet und demzufolge abgebremst, indem der Querstrom I_q spontan auf den Wert Null (I_q = 0) abgesenkt oder abgeregelt wird.Within the time interval Δt set or predetermined by means of this timer, a further condition of the operating state of the synchronous machine becomes 1 . 1' queried. This further condition is oriented or coupled to an information or a signal of the speed controller, whether an example predetermined or set maximum torque M _max or a maximum force F _{max is} reached. If this condition or this criterion and at the same time the condition or the criterion of the Mittkopplungszustandes met and is the pre-set time interval .DELTA.t of the timer expired, then the synchronous machine 1 . 1' de-energized and consequently braked by the cross-current I _{q is} spontaneously lowered or de-energized to the value zero (I _q = 0).

8 zeigt in einem schematischen Blockschaltbild eine Überwachungsvorrichtung der Synchronmaschine 1, 1'. Veranschaulicht ist ein Antrieb 4 mit der Synchronmaschine 1, 1' und mit einem diese speisenden Umrichter 5. Der in nicht näher dargestellter Art und Weise von einem Drehzahl- oder Geschwindigkeitsgeber erfasste Ist-Wert n_ist der Drehzahl (Geschwindigkeit) n der Synchronmaschine 1, 1' wird einem Motormodell 6 zugeführt. Diesem Motormodell 6 wird zudem vom Umrichter 5 ein den aktuellen Querstrom I_q repräsentierendes Signal zugeführt. Der zeitliche Verlauf des Querstroms I_q(t) sowie die zeitliche Änderung dn/dt der Drehzahl n(t) werden einem Überwachungsmodul 7 der Überwachungs-Vorrichtung zugeführt. 8th shows a schematic block diagram of a monitoring device of the synchronous machine 1 . 1' , Illustrated is a drive 4 with the synchronous machine 1 . 1' and with one of these feeding inverters 5 , The detected in a manner not shown by a speed or speed sensor actual value n _is the speed (speed) n of the synchronous machine 1 . 1' becomes a motor model 6 fed. This engine model 6 is also from the inverter 5 a signal representing the current cross current I _{q is} supplied. The time profile of the cross current I _q (t) and the time change dn / dt of the rotational speed n (t) become a monitoring module 7 supplied to the monitoring device.

Das Überwachungsmodul 7 vergleicht die Vorzeichen (+, –) der zeitlichen Drehzahländerung dn/dt bzw. das Vorzeichen (+, –) der Geschwindigkeitsänderung dv/dt und das Vorzeichen (+, –) des das Drehmoment M bzw. die Kraft F repräsentierenden Querstroms I_q. Wird vom Überwachungsmodul 7 eine Abweichung der Vorzeichen festgestellt, so wird dem Umrichter 5 ein Steuersignal SA zum gezielten (elektrischen) Abbremsen der Synchronmaschine 1, 1' zugeführt und über diesen die Energiezufuhr zur Synchronmaschine 1, 1' abgeschaltet.The monitoring module 7 compares the sign (+, -) of the temporal change in speed dn / dt or the sign (+, -) of the speed change dv / dt and the sign (+, -) of the torque M and the force F representing cross-current I _q. Is from the monitoring module 7 detected a deviation of the sign, so is the inverter 5 a control signal SA for targeted (electrical) braking of the synchronous machine 1 . 1' supplied and via this the power supply to the synchronous machine 1 . 1' off.

Um ein gezieltes oder geregeltes Abbremsen der Synchronmaschine 1, 1' besonders vorteilhaft zu erreichen, wird dem Überwachungsmodul 7 vom Motormodell 6 ein EMK-Signal S_EMK zugeführt, das die vom Motormodell 6 berechnete Pollage repräsentiert. Mittels dieses Wertes oder Parameters der von dem Motormodell 6 ermittelten aktuellen Pollage der Synchronmaschine 1, 1' erfolgt über die Überwachungs-Vorrichtung ein gesteuertes elektrisches Abschalten der Synchronmaschine 1, 1'.To a targeted or controlled braking of the synchronous machine 1 . 1' achieving particularly advantageous is the monitoring module 7 from the engine model 6 an emf signal S _emk fed to the motor model 6 calculated pole position represents. By means of this value or parameter of the engine model 6 determined current pole position of the synchronous machine 1 . 1' via the monitoring device is a controlled electrical shutdown of the synchronous machine 1 . 1' ,

Claims

Method for monitoring the operation of a synchronous machine ( 1 . 1' ) with an energized stator winding ( 3 . 3 ' ) for generating a stator field and with a magnet poles forming rotor ( 2 . 2 ' ), in which a deviation of the direction of the acceleration of the runner ( 2 . 2 ' ) and the direction of the operationally generated torque (M) or the force (F) is detected to a Mittkopplungszustand.

The method of claim 1, wherein the temporal History of the speed (n (t)) or the speed (v (t)) detected and the temporal change the speed (dn / dt) or the speed (dv / dt) determined becomes.

Method according to Claim 1 or 2, in which the direction of the acceleration of the runner ( 2 . 2 ' ) is determined from the sign (+/-) of the temporal change of the speed (dn / dt) or the speed (dv / dt).

Method according to one of claims 1 to 3, wherein the torque or force-forming cross-current (I _q (t)) of the energized stator winding ( 3 . 3 ' ) is detected.

Method according to claim 4, wherein the direction of the generated torque (M) and the force (F) from a course and / or a change of the torque (M) or the force (F) associated sign (+/-) is determined.

Method according to claim 5, wherein a positive Torque (M) or a positive force (F) a positive sign (+) and a negative torque (M) or a negative force (F) a negative sign (-) be assigned.

Method according to one of Claims 1 to 6, in which a control signal (S _A ) for decelerating the synchronous machine ( 1 . 1' ) - if a deviation of the direction of the acceleration of the runner ( 2 . 2 ' ) and the direction of the torque (M) or the force (F) is detected, and - when a predetermined limit value (M _max , F _max ) of the torque (M) or the force (F) is reached.

Method according to Claim 7, in which a timer (Δt) is reached when the limit value (M _max , F _max ) is reached is started, wherein the control signal (S _A ) for braking the synchronous machine ( 1 . 1' ) is generated after the time set by the timer time (.DELTA.t).

Device for monitoring the operation of a synchronous machine ( 1 . 1' ) with an energized stator winding ( 3 . 3 ' ) for generating a stator field and with a magnet poles forming rotor ( 2 . 2 ' ), in particular for carrying out the method according to one of claims 1 to 8, - having means for detecting the rotational speed (n _ist ) or the speed (v _ist ) of the rotor ( 2 . 2 ' ), - with means for determining the time profile of the torque or force-forming cross-current (I _q ) of the synchronous machine ( 1 . 1' ), and - with a monitoring module ( 7 ), on the input side a signal representing the temporal change of the rotational speed or speed (dn / dt; dv / dt) and the temporal variation of the cross current (I _q ) representing signal (I _q (t)) is supplied, wherein the Monitoring module ( 7 ) is adapted, based on a deviation of the determined from the speed or speed change (dn / dt; dv / dt) direction (+, -) of the acceleration of the rotor ( 2 . 2 ' ) of the on the basis of the change with time of the cross current (I _q ) determined direction (+, -) of the torque (M) or the force (F) a positive feedback state of the synchronous machine ( 1 . 1' ) to recognize.

Device according to Claim 9, in which the monitoring module ( 7 ) is designed, in the case of a positive feedback state, in particular after the expiration of an adjustable timer (.DELTA.t), a control signal (S _A ) for braking the synchronous machine ( 1 . 1' ) to create.