DE102009029896A1

DE102009029896A1 - Verfahren mindestens zur Bestimmung der Läuferposition von rotierenden oder linearen Synchronmaschinen

Info

Publication number: DE102009029896A1
Application number: DE102009029896A
Authority: DE
Inventors: Martin Dipl.-Ing. Braun; Jörg Prof. Dr.-Ing. Roth-Stielow
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2009-06-23
Filing date: 2009-06-23
Publication date: 2010-12-30
Also published as: CN102577082A; WO2010149650A1; CN102577082B

Abstract

Ein Verfahren zur Bestimmung der Läuferposition von rotierenden oder linearen Synchronmaschinen, welche auch über ein LC-Filter gespeist sein können, durch Auswertung der elektrischen Antwort der Maschine auf zwei zeitlich versetzte und um > ±90° verdrehte Spannungsimpulse.

Description

Ein Regelsystem für eine rotierende oder lineare Synchronmaschine arbeitet nur dann zufriedenstellend, wenn die aktuelle Läuferposition der Maschine hinreichend genau bekannt ist. Insbesondere beim Anfahren der Maschine aus dem Stillstand ist es für ein kontrolliertes Bewegen in der richtigen Richtung wichtig, die Richtung des Vektors des Läufermagnetfelds, die aus der Läuferposition ermittelt werden kann, zu kennen.
Zur Bestimmung der Läuferposition sind häufig direkte Geber im Einsatz, die jedoch in der Anschaffung und Instandhaltung relativ teuer und außerdem störanfällig sind. Es gibt daher bereits einige Verfahren, die eine Bestimmung der Läuferposition unter Verzicht auf einen direkten Geber erlauben. Ein solches Verfahren ist beispielsweise in der WO 92/19038 offenbart. Das bekannte Verfahren lässt sich allerdings nur für Maschinen einsetzen, die direkt von einem Umrichter angesteuert werden. Zur Vermeidung von Wärmeverlusten in der Maschine werden jedoch zunehmend den Maschinen LC-Filter vorgeschaltet. Bei einer solchermaßen betriebenen Maschine lässt sich das bekannte Verfahren nicht einsetzen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren mindestens zur Bestimmung der Läuferposition im Stillstand von rotierenden oder linearen Synchronmaschinen vorzuschlagen, das auch bei Maschinen mit vorgeschaltetem LC-Filter einsetzbar ist und mit dem die Läuferposition mit hoher Genauigkeit ermittelbar ist.
Die Aufgabe wird gelöst mit einem Verfahren zur Bestimmung mindestens der Läuferposition von rotierenden oder linearen Synchronmaschinen im Stillstand, das gekennzeichnet ist durch die Schritte

– Beaufschlagen der Maschine mit einem ersten Spannungsimpuls zu einem Zeitpunkt t = t₀ der Dauer t₁ – t₀;
– Messung des Statorstroms in mindestens zwei der Phasen zu einem Zeitpunkt t = t₂ > t₀;
– Berechnung eines idealisierten Statorstroms einer idealisierten Modellmaschine aus der gemessenen Statorspannung für mindestens zwei Phasen;
– Berechnung eines ersten Differenzstromraumvektors durch Bilden der Differenz zwischen den gemessenen Statorströmen und den idealisierten Statorströmen;
– Beaufschlagen der Maschine mit einem zweiten Spannungsimpuls, zu einem Zeitpunkt t = t₃ > t₂, der Dauer t₄ – t₃, der gegenüber dem ersten Spannungsimpuls um mehr als ±90° verdreht ist.
– Messung des Statorstroms in mindestens zwei der Phasen zu einem Zeitpunkt t = t₅ > t₃;
– Berechnung eines idealisierten Statorstroms einer idealisierten Modellmaschine aus der gemessenen Statorspannung für mindestens zwei Phasen;
– Berechnung eines zweiten Differenzstromraumzeigers durch Bilden der Differenz zwischen den gemessenen Statorströmen und den idealisierten Statorströmen;
– Bestimmung der Läuferposition mittels Linearkombinationen aus den ermittelten Differenzstromraumzeigern.

Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich durch zwei Messvorgänge aus, wobei für jeden der Messvorgänge jeweils nur ein Spannungsimpuls in einer beliebigen Phase auf die Maschine aufgeschaltet werden muss. Durch die Auswertung der elektrischen Antwort der Maschine wird die Läuferposition ermittelt. Die Auswertung der elektrischen Antwort der Maschine ist mit dem erfindungsgemäßen Verfahren auch dann möglich, wenn der Maschine ein LC-Filter vorgeschaltet ist. Selbstverständlich funktioniert das Verfahren aber auch bei Maschinen ohne LC-Filter. Die Genauigkeit, mit der die Läuferposition mit diesem Verfahren ermittelt werden kann, ist gegenüber bekannten Verfahren noch verbessert.
Ein wesentlicher Punkt des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, einen Differenzstromraumzeiger zu ermitteln, wobei ein idealisierter Statorstrom einer idealisierten Modellmaschine aus der gemessenen Statorspannung berechnet wird. Als idealisierte Modellmaschine wird hierbei eine vollkommen symmetrische Maschine ohne Toleranzen angenommen.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch dazu eingesetzt werden, die Läuferposition und/oder die Kreisfrequenz der Maschine bei niedrigen Kreisfrequenzen zu bestimmen. Dazu kann zu vorgebbaren Zeitpunkten die Maschine mit weiteren Spannungsimpulsen beaufschlagt werden und die Statorströme gemessen und Differenzstromraumzeiger berechnet werden und daraus eine Läuferposition berechnet wird, welche einem adaptiven Maschinenmodell zugeführt wird, welches ein weiteres Maschinenmodell an die reale Maschine angleicht und welchem permanent gemessene Statorströme zugeführt werden und aus welchem ein kontinuierliches Signal für die Läuferposition und/oder die Kreisfrequenz bestimmt wird.
Zur Bestimmung der Läuferposition und/oder der Kreisfrequenz bei niedrigen Kreisfrequenzen werden also im Prinzip weitere Messungen wie im Stillstand durchgeführt. Die aus den resultierenden Differenzströmen berechneten Läuferpositionen werden einem adaptiven Maschinenmodell zugeführt, welches dadurch an die reale Maschine adaptiert wird. Ein weiteres Maschinenmodell basiert auf gemessenen Statorströmen und der durch das adaptive Maschinenmodell bestimmten Läuferposition. Mithilfe des die reale Maschine aufgrund der ständigen Adaption sehr gut nachbildenden Maschinenmodells lassen sich dann zwischen den Messpunkten liegende interpolierte Werte für die Läuferposition berechnen.
Durch die Spannungsimpulse wird in der Maschine gezielt eine magnetische Anisotropie hervorgerufen. Diese wird detektiert und daraus die Läuferposition bestimmt. Es muss dazu lediglich die elektrische Antwort der Maschine ausgewertet werden. An der Maschine sind keinerlei Veränderungen nötig. Das Verfahren lässt sich sowohl bei permanent-magnetischen als auch bei fremderregten rotierenden oder linearen Synchronmaschinen einsetzen.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Läuferposition durch Differenzbildung und Summenbildung aus den ersten und zweiten Differenzstromraumzeigern bestimmt. Dabei kann man aus der Summe der Differenzstromraumzeiger den Sektor, in dem sich der Läufer befindet, exakt bestimmen und aus der Differenz der Differenzstromraumzeiger die exakte Position des Läufers innerhalb des Sektors. Damit liegt die Läuferposition eindeutig und mit hoher Genauigkeit fest.
Die Berechnung des idealisierten Statorstroms kann vorzugsweise aus der gemessenen Statorspannung unter Vernachlässigung des Statorwiderstands mittels Integration berechnet werden. Die Integration erfolgt dabei über das Zeitintervall vom Zeitpunkt der Beaufschlagung der Maschine mit dem Spannungsimpuls bis zum Messzeitpunkt.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren ist es unerheblich, welche Phase der Maschine mit den Spannungsimpulsen beaufschlagt wird. Durch die Messung der elektrischen Antwort der Statorgrößen kann die Berechnung der Läuferposition in allen Fällen vorgenommen werden. Auch die Richtung der angelegten Spannungsimpulse ist frei wählbar, solange die Spannungsimpulse der beiden Messschritte eine gegenseitige Verdrehung von > ±90° aufweisen.
Um Messfehler in jedem Fall sicher ausschließen zu können, wird zweckmäßigerweise die Impulsdauer der Spannungsimpulse kleiner als t₂ – t₀ und kleiner als t₅ – t₃ gewählt. Im Gegensatz zum Verfahren nach der WO 92/19038 ist jeweils nur ein Spannungsimpuls pro Messschritt erforderlich.
Zur Initialisierung des idealisierten Maschinenmodells können vor der Beaufschlagung der Maschine mit einem Spannungsimpuls die Statorströme in zwei der Phasen gemessen werden. Die Auswertung der Messergebnisse ist dann auf besonders einfache Weise möglich, wenn die Messzeiten t₂ und t₅ der einzelnen Messungen derart gewählt werden, dass der durch den angelegten Spannungsimpuls hervorgerufene Statorstrom die Maschine möglichst gut sättigen oder entsättigen kann.
Die beigefügte Zeichnung illustriert in 1 ein Ersatzschaltbild einer Synchronmaschine mit vorgeschaltetem LC-Filter, in 2 die Darstellung der zeitlichen Abläufe und in 3 eine Prinzipdarstellung der Mess- und Auswerteschritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens. 4 illustriert die für den Bereich kleiner Kreisfrequenzen eingesetzten Maschinenmodelle.
1 zeigt das Ersatzschaltbild einer Synchronmaschine und eines LC-Filters bei Stillstand der Maschine. Die Synchronmaschine wird charakterisiert durch die Statorspannung, den Statorstrom sowie die Stranginduktivität L phs und den Statorwiderstand R_s. Die Synchronmaschine wird über das LC-Filter mit der Induktivität L_f und der Kapazität C_f mit einem Spannungsimpuls u php beaufschlagt, wie 2 illustriert. Nach einer Zeit t₀ nach der Beaufschlagung mit einem ersten Spannungsimpuls u php wird der Statorstrom i phs und der idealisierte Statorstrom i ph#s mithilfe von Abfrageeinheiten 10 und 20 (3), gemessen. Der idealisierte Statorstrom wird aus den gemessenen Statorspannungen berechnet. Aus den gemessenen Statorströmen wird ein erster Differenzstromraumvektor berechnet. Die Synchronmaschine wird über das LC-Filter mit der Induktivität L_f und der Kapazität C_f zum Zeitpunkt t = t₃ mit einem zweiten Spannungsimpuls beaufschlagt (2), welcher gegenüber dem ersten Spannungsimpuls um mehr als ±90° verdreht ist. Nach der Zeit t₅ wird dann mithilfe von Abfrageeinheiten 30 und 40 (3) erneut der Statorstrom und der nachgebildete Statorstrom gemessen. Aus diesen gemessenen Statorströmen wird ein zweiter Differenzstromraumvektor berechnet. Anschließend wird die Differenz und die Summe aus diesem Differenzstromraumvektor berechnet und über eine weitere Berechnung in einer Auswerteeinheit 50 (3) die gesuchte Läuferposition bestimmt. Diese Messungen und Läuferpositionsbestimmungen können in analoger Weise bei langsam laufender Maschine zu vorgebbaren Messzeitpunkten vorgenommen werden. Zwischen den Messungen kann die Läuferposition über ein adaptives Maschinenmodell und ein Maschinenmodell, wie es 4 zeigt, so bestimmt werden, dass die Läuferposition sowie die Kreisfrequenz kontinuierlich bestimmbar sind.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- WO 92/19038 [0002, 0013]

Claims

Verfahren zur Bestimmung mindestens der Läuferposition von rotierenden oder linearen Synchronmaschinen im Stillstand, gekennzeichnet durch die Schritte: – Beaufschlagen der Maschine mit einem ersten Spannungsimpuls zu einem Zeitpunkt t = t₀ der Dauer t₁ – t₀; – Messung des Statorstroms in mindestens zwei der Phasen zu einem Zeitpunkt t = t₂ > t₀; – Berechnung eines idealisierten Statorstroms einer idealisierten Modellmaschine aus der gemessenen Statorspannung für mindestens zwei Phasen; – Berechnung eines ersten Differenzstromraumvektors durch Bilden der Differenz zwischen den gemessenen Statorströmen und den idealisierten Statorströmen; – Beaufschlagen der Maschine mit einem zweiten Spannungsimpuls, zu einem Zeitpunkt t = t₃ > t₂, der Dauer t₄ – t₃, der gegenüber dem ersten Spannungsimpuls um mehr als ±90° verdreht ist. – Messung des Statorstroms in mindestens zwei der Phasen zu einem Zeitpunkt t = t₅ > t₃; – Berechnung eines idealisierten Statorstroms einer idealisierten Modellmaschine aus der gemessenen Statorspannung für mindestens zwei Phasen; – Berechnung eines zweiten Differenzstromraumzeigers durch Bilden der Differenz zwischen den gemessenen Statorströmen und den idealisierten Statorströmen; – Bestimmung der Läuferposition mittels Linearkombinationen aus den ermittelten Differenzstromraumzeigern.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung der Läuferposition und/oder der Kreisfrequenz der Maschine auch bei niedrigen Kreisfrequenzen zu vorgebbaren Zeitpunkten die Maschine mit weiteren Spannungsimpulsen beaufschlagt wird und die Statorströme gemessen und Differenzstromraumzeiger berechnet werden und daraus eine Läuferposition berechnet wird, welche einem adaptiven Maschinenmodell zugeführt wird, welches ein weiteres Maschinenmodell an die reale Maschine angleicht und welchem permanent gemessene Statorströme zugeführt werden und aus welchem ein kontinuierliches Signal für die Läuferposition und/oder die Kreisfrequenz bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Läuferposition durch Differenzbildung und Summenbildung aus den ersten und zweiten Differenzstromraumzeigern bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass aus der Summe der Differenzstromraumzeiger der Sektor, in dem sich der Läufer befindet, exakt bestimmbar ist und aus der Differenz der Differenzstromraumzeiger die exakte Position des Läufers innerhalb des Sektors.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der idealisierte Statorstrom aus der gemessenen Statorspannung unter Vernachlässigung des Statorwiderstands mittels Integration berechnet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine beliebige Phase der Maschine mit den Spannungsimpulsen beaufschlagt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die rotierenden oder linearen Synchronmaschinen mit oder ohne einem vorgeschalteten LC-Filter betrieben werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Impulsdauer der Spannungsimpulse kleiner als t₂ – t₀ oder kleiner als t₅ – t₃ gewählt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Beaufschlagung der Maschine mit einem Spannungsimpuls die Statorströme in zwei der Phasen gemessen werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messzeiten t2 und t5 der einzelnen Messungen derart gewählt werden, dass der durch den angelegten Spannungsimpuls hervorgerufene Statorstrom die Maschine möglichst gut sättigen oder entsättigen kann.