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DE10226974A1 - Method for determining rotor position of field-orientated driven polyphase machine, involves determining test signal conditioned current AC component each switching period depending on ascertained current amplitudes - Google Patents

Method for determining rotor position of field-orientated driven polyphase machine, involves determining test signal conditioned current AC component each switching period depending on ascertained current amplitudes Download PDF

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Publication number
DE10226974A1
DE10226974A1 DE2002126974 DE10226974A DE10226974A1 DE 10226974 A1 DE10226974 A1 DE 10226974A1 DE 2002126974 DE2002126974 DE 2002126974 DE 10226974 A DE10226974 A DE 10226974A DE 10226974 A1 DE10226974 A1 DE 10226974A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
current
field
oriented
rotor position
test signal
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
DE2002126974
Other languages
German (de)
Inventor
Hans-Georg Koepken
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens Corp
Original Assignee
Siemens Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens Corp filed Critical Siemens Corp
Priority to DE2002126974 priority Critical patent/DE10226974A1/en
Publication of DE10226974A1 publication Critical patent/DE10226974A1/en
Ceased legal-status Critical Current

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    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02PCONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P21/00Arrangements or methods for the control of electric machines by vector control, e.g. by control of field orientation
    • H02P21/06Rotor flux based control involving the use of rotor position or rotor speed sensors
    • H02P21/10Direct field-oriented control; Rotor flux feed-back control

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Control Of Ac Motors In General (AREA)

Abstract

A method for determining rotor position (16) involves providing a test space vector which is synchronous with the pulse-width modulation of a field-orientated control of the polyphase machine then component-wise superposing of this test-space vector to the field orientated components of a desired voltage vector synchronous to the pulse-width modulation. At least two current amplitudes are determined per switching period (Ts) of a current space vector of the machine. A test signal conditioned current AC component (Aw) is converted into an error angle (e) and estimated rotor position is corrected. An independent claim is included for a device for the rotor position determination method.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bestimmung einer Rotorlage einer feldorientiert betriebenen Drehfeldmaschine, die eine von der Rotorlage abhängige wirksame Induktivität aufweist, ohne einen mechanischen Sensor im Stillstand und bei kleiner Drehzahl und auf eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.The invention relates to a Method for determining a rotor position of a field-oriented one Three-phase machine, which has an effective inductance dependent on the rotor position, without a mechanical sensor at standstill and at low speed and an apparatus for performing this method.

Für Servoantriebe wird meistens eine permanenterregte Synchronmaschine eingesetzt. Durch ihren kommutatorlosen Aufbau sind die Maschinen wartungsarm und ihr hohes Leistungsgewicht führt zu einem geringen Bauvolumen. Durch die feldorientierte Regelung der permanenterregten Synchronmaschine wird die Regelung der fluss- und momentenbildenden Stromkomponenten entkoppelt. Hierzu werden die Ströme auf ein rotorflussorientiertes Koordinatensystem transformiert. Da der Rotorfluss der Synchronmaschine betragsmäßig konstant und bezüglich des Rotors ortsfest ist, kann der für die Transformation benötigte Rotorflusswinkel einfach mit einem mechanischen Sensor ermittelt werden. Als mechanischer Sensor wird ein optischer Encoder oder ein magnetischer Resolver verwendet. Der mechanische Sensor erfüllt meistens zwei Funktionen:

  • 1. Bestimmung der Rotorlage für eine feldorientierte Regelung. Das bedeutet, dass der Strom im Motor immer entsprechend dem Rotorwinkel eingestellt wird und so exakt das geforderte Moment eingestellt werden kann.
  • 2. Bestimmung der Lastposition aus der Rotorlage. Die Lage der über eine feste Übersetzung an dem Motor angekoppelten Last wird aus der Rotorlage bestimmt. Dazu wird beim Start des Systems ein Referenzpunkt angefahren und dann im Betrieb die Lage mitgeführt.
A permanent magnet synchronous machine is mostly used for servo drives. Thanks to their commutatorless design, the machines are low-maintenance and their high power-to-weight ratio leads to a small construction volume. The field-oriented control of the permanent-magnet synchronous machine decouples the control of the flux and torque-forming current components. For this purpose, the currents are transformed to a rotor flux-oriented coordinate system. Since the rotor flux of the synchronous machine is constant in terms of amount and stationary with respect to the rotor, the rotor flux angle required for the transformation can easily be determined using a mechanical sensor. An optical encoder or a magnetic resolver is used as the mechanical sensor. The mechanical sensor usually performs two functions:
  • 1. Determination of the rotor position for a field-oriented control. This means that the current in the motor is always set according to the rotor angle and the required torque can be set exactly.
  • 2. Determination of the load position from the rotor position. The position of the load coupled to the motor via a fixed ratio is determined from the rotor position. This is done at the start approached a reference point of the system and then carried the situation during operation.

Die Rotorlagemessunq verursacht jedoch nennenswerte Kosten, da ein Geber, ein Einbauplatz, ein Steckverbinder, eine Geberleitung und eine Geberauswertung vorgesehen werden müssen.The rotor position measurement, however, causes noteworthy Costs because one encoder, one slot, one connector, one Encoder line and an encoder evaluation must be provided.

Eine geberlose, feldorientierte Regelung wird bisher nur bei Asynchronmotoren eingesetzt. Diese funktioniert jedoch erst ab einer Mindestdrehzahl, beispielsweise einige Prozent der Nenndrehzahl, ist also nicht zum Positionieren geeignet. Außerdem steht keine Rotorlageinformation, die zur Bestimmung der Lage der Last genutzt werden könnte, zur Verfügung.An encoderless, field-oriented regulation will previously only used with asynchronous motors. However, this works only from a minimum speed, for example a few percent of Nominal speed, so it is not suitable for positioning. It also says no rotor position information needed to determine the position of the load could be used for Available.

Einen ähnlichen geberlosen, feldorientierten Betrieb gibt es auch bei der permanenterregten Synchronmaschine. Er basiert auf der bei Drehung induzierten Spannung und ist daher auch erst ab einer Mindestdrehzahl möglich und somit nicht zum Positionieren geeignet.A similar donorless, field-oriented operation is also available with the permanently excited synchronous machine. It is based on the voltage induced during rotation and is therefore also the first possible from a minimum speed and therefore not suitable for positioning.

Aus der WO 92/01331 A1 ist ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zur sensorlosen Drehwinkelerfassung einer dämpferlosen, vorzugsweisen permanentmagneterregten, über einen Stromrichter gespeisten Synchronmaschine bekannt. Dieses bekannte Verfahren verwendet blockförmige, statororientierte Testvektoren. Es unterbricht den Stromregelkreis, indem es statt des Modulatorausgangs eine Folge von kurzen Testpulsen anlegt. Dabei wird der Strom jeweils mit der vollen Zwischenkreisspannung auf- und wieder abgebaut. Dieser Vorgang wird für alle drei Phasen nacheinander durchgeführt. Der direkte Übergang von einem aktiven Zeiger auf den entgegengesetzten aktiven Zeiger verursacht einen erhöhten Spannungssprung (zweifache Zwischenkreisspannung), was unter Umständen ungünstig für die Motorisolation ist. Die durch die Spannungspulse verursachte Stromänderung wird durch schnelles Abtasten des Stroms während des Stromanstiegs und während des Stromabfalls gemessen. Es wird also eine entsprechend schnelle und synchronisierte Strommessung benötigt. Da die Lage der Stromimpulse durch die Statorwicklungen bestimmt ist und somit je nach Läuferlage entsprechend hohe Momentenpulse entstehen führt die Testpulse zu hohen Geräuschen. Dieses Verfahren erfordert Eingriffe in der Pulserzeugung und in die Stromregelung. Außerdem steht eine Lageinformation immer nur nach den eingeführten Testblöcken zur Verfügung, was einer Begrenzung der Bandbreite der Lageerkennung entspricht.WO 92/01331 A1 describes a method and a circuit arrangement for sensorless rotation angle detection of a damper-less, preferably permanent magnet excited, powered by a converter Synchronous machine known. This known method uses block-shaped, stator-oriented Test vectors. It breaks the current control loop by taking place of the modulator output applies a sequence of short test pulses. there the current is always at the full DC link voltage and dismantled again. This process is carried out in succession for all three phases. The direct transition from an active pointer to the opposite active pointer causes an increased Voltage jump (double DC link voltage), which may be unfavorable for the motor insulation is. The current change caused by the voltage pulses is done by quickly sensing the current during the current rise and while of the current drop measured. So it will be a fast one and synchronized current measurement is required. Because the location of the current pulses is determined by the stator windings and accordingly depending on the rotor position high momentum pulses arise which leads Test pulses for high noise. This procedure requires interventions in the pulse generation and in the current regulation. Moreover is location information only available after the test blocks have been introduced, what corresponds to a limitation of the bandwidth of the position detection.

Aus der EP 0 228 535 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung des Flusswinkels einer Drehfeldmaschine bzw. zum lageorientierten Betrieb der Maschine bekannt. Bei diesem Verfahren wird einer elektrischen Zustandsgröße des Ständerwicklungssystems ein hochfrequenter Anteil eingeprägt. Unter den elektrischen Zustandsgrößen des Ständerwicklungssystems sind die Ströme und Spannungen in den einzelnen Ständerspulen verstanden und die Achsen derjenigen Spulen, denen der hochufrequente Anteil eingeprägt wird, bestimmen die Richtung des eingeprägten hochfrequenten Anteils. Es zeigt sich, dass z.B. bei einem eingeprägten Hochfrequenzstrom in einer oder mehreren Ständerspulen auch in der Spannung dieser Spulen und in den Strömen und Spannungen der anderen Spulen hochfrequente Anteile auftreten, deren Amplitude vom Differenzwinkel zwischen der Flussachse bzw. der Richtung des eingeprägten Anteils abhängt. Daher wird aus einem Zustandssignal, das eine andere Zustandsgröße des Ständerwicklungssystems abbildet, die Amplitude des hochfrequenten Anteils erfasst; der gesuchte Richtungswinkel wird aus der Abhängigkeit der erfassten Amplitude von der vorgegebenen Richtung des eingeprägten Hochfrequenzteils bestimmt.From the EP 0 228 535 A1 A method and a device for determining the flow angle of a induction machine or for position-oriented operation of the machine are known. In this method, a high-frequency component is impressed on an electrical state variable of the stator winding system. The electrical state variables of the stator winding system are understood to mean the currents and voltages in the individual stator coils and the axes of those coils to which the high-frequency component is impressed determine the direction of the impressed high-frequency component. It turns out that, for example, in the case of an impressed high-frequency current in one or more stator coils, high-frequency components also occur in the voltage of these coils and in the currents and voltages of the other coils, the amplitude of which depends on the difference angle between the flow axis and the direction of the impressed component. Therefore, the amplitude of the high-frequency component is detected from a state signal that represents another state variable of the stator winding system; the directional angle sought is determined from the dependence of the detected amplitude on the predetermined direction of the impressed high-frequency part.

Gemäß diesem Verfahren ist nun vorgesehen, dem Ständerstrom mittels eines gegenüber der Frequenz des Bezugsvektors hochfrequenten Zusatz-Sollvektors einen hochfrequenten Anteil zu überlagern. Die Überlagerung kann durch Vektoraddition zum feldorientierten Sollvektor oder zu dem entsprechenden, in das ständerorientierte Koordinatensystem übertragenen Vektor oder auf eine andere, mathematisch äquivalente Weise erfolgen. Folglich erhält auch der Steuervektor einen entsprechend hochfrequenten Anteil, der dem Ständerstrom über den Stromrichter eingeprägt wird. Handelt es sich bei dem Zusatzvektor um einen Vektor mit rasch veränderlicher Richtung, so ist auch die Steuerung entsprechend rasch veränderlich. Durch die Aufprägung eines hochfrequenten Anteils im Ständerstrom oder in der Ständerspannung werden in der Ständerwicklung dadurch hochfrequente Spannungsanteile (bzw. Stromanteile) eingekoppelt, deren Hüllkurven der Lage der Feld- oder Läuferachse zugeordnet werden. Diese Hüllkurven werden durch geeignete Mittel den Komponenten des Richtungsvektors zugeordnet. Zur Bildung des Richtungsvektors ist ein Flussrechner vorgesehen, der aus elektrischen Größen der Maschine die ständerbezogenen Komponenten eines den Fluss beschreibenden Modellvektor verrechnet.According to this method, it is now provided to add a high-frequency component to the stator current by means of an additional target vector that is high-frequency compared to the frequency of the reference vector overlap. The superimposition can be carried out by vector addition to the field-oriented target vector or to the corresponding vector transferred into the stand-oriented coordinate system or in another, mathematically equivalent manner. Consequently, the control vector also receives a correspondingly high-frequency component, which is impressed on the stator current via the converter. If the additional vector is a vector with a rapidly changing direction, the control can also be changed correspondingly quickly. By embossing a high-frequency component in the stator current or in the stator voltage, high-frequency voltage components (or current components) are coupled into the stator winding, the envelopes of which are assigned to the position of the field or rotor axis. These envelopes are assigned to the components of the direction vector by suitable means. A flow computer is provided to form the direction vector, which calculates the stand-related components of a model vector describing the flow from electrical quantities of the machine.

Dieses Verfahren geht von der Beobachtung aus, dass ein in eine der Ständerspulen eingeprägter hochfrequenter Anteil der einen Zustandsgröße einen hochfrequenten Anteil der anderen Zustandsgröße der gleichen Spule und Hochfrequenzanteile der Zustandsgrößen der anderen Spulen induziert. Die Hochfrequenzanteile hängen von der Lage der Läufer- bzw. Feldachse ab. Als Zusatz-Sollvektor wird eine sinusförmige Schwingung von etwa 250 Hz verwendet. Mittels dieses Verfahrens ist ein feldorientierter Betrieb einer Synchronmaschine möglich.This method is based on the observation that one into one of the stator coils embossed high frequency Proportion of one state variable high-frequency component of the other state variable of the same coil and high-frequency components of the state variables of other coils induced. The high frequency components depend on the position of the runners or field axis. A sinusoidal oscillation is used as an additional target vector of about 250 Hz. Using this method is a field-oriented Operation of a synchronous machine possible.

Aus der US-PS 6 005 365 ist eine Motorkontrolleinrichtung für eine Synchronmaschine ohne mechanischen Sensor bekannt. Bei dieser Motorsteuereinrichtung wird ebenfalls ein sinusförmiges Testsignal verwendet, das in der d-Achse überlagert wird und als Stromsollwert vorgegeben wird. Ausgewertet wird die Querkopplung.From US-PS 6 005 365 is one Engine control device for a synchronous machine without a mechanical sensor is known. At this Motor control device also uses a sinusoidal test signal that overlaps in the d-axis and is specified as the current setpoint. The is evaluated Cross coupling.

Ähnlich arbeitet auch das Verfahren, das im Aufsatz mit dem Titel „Rotor Position and Velocity Estimation for a Salient-Pole Permanent Magnet Synchronous Machine at Standstill and High Speeds", veröffentlicht in der Zeitschrift „IEEE Transactions on Industry Applications", Vol. 34, No. 4, Juli/Aug. 1998, Seiten 784 bis 789, publiziert ist. Dieses Verfahren ist allerdings mit Berücksichtigung der drehzahlbedingten Querkopplung und mit einer Beobachterstruktur für die Frequenzregelung ausgestattet. Außerdem wird eine synchrone Gleichrichtung zur Bestimmung der Querkomponente des Stroms eingesetzt. Bei diesem Verfahren wird das Testsignal jedoch in die momentenbildende Achse gelegt. Dies verursacht ein mit der Testfrequenz pulsierendes Drehmoment, was zu einem Pfeifen und zu mechanischen Schwingungen führt. Dafür ergibt sich eine bessere Entkopplung der Lageerkennung vom Stromregelkreis.Similar also works the process that is described in the article entitled "Rotor Position and Velocity Estimation for a Salient-Pole Permanent Magnet Synchronous Machine at Standstill and High Speeds ", released in the magazine “IEEE Transactions on Industry Applications ", Vol. 34, No. 4, July / Aug. 1998, pages 784 to 789. However, this procedure is included consideration the speed-related cross coupling and with an observer structure for the Frequency control equipped. In addition, a synchronous Rectification used to determine the cross component of the current. In this method, however, the test signal is in the torque-forming Axis laid. This causes a torque pulsating with the test frequency, which leads to whistling and mechanical vibrations. For that results there is a better decoupling of the position detection from the current control loop.

Nachteilig ist bei all diesen Verfahren die geringe nutzbare Breite, da das Testsignal deutlich tieffrequenter als die Schaltfrequenz sein muss und die nutzbare Bandbreite wieder deutlich unterhalb der Testsignalfrequenz liegt.A disadvantage of all of these methods the small usable width, since the test signal is significantly lower in frequency than the switching frequency must be and the usable bandwidth again is significantly below the test signal frequency.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Bestimmung einer Rotorlage einer feldorientiert betriebenen Drehfeldmaschine, die eine von der Rotorlage abhängige wirksame Induktivität aufweist, anzugeben, bei dem die Bandbreite wesentlich erhöht ist.The object of the invention is now is based on a method for determining a rotor position of a field-oriented operated induction machine, which is an effective depending on the rotor position inductance has to indicate at which the bandwidth is significantly increased.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Verfahrensschritten des Anspruches 1 gelöst.This object is achieved with the Process steps of claim 1 solved.

Durch die Synchronisierung des Testraumzeigers auf die Pulsweitenmodulation einer feldorientierten Regelung der Drehfeldmaschine mit einer von der Rotorlage abhängigen wirksamen Induktivität, wird eine hohe nutzbare Bandbreite erreicht. Ferner entstehen bei der Bestimmung der Rotorlage geringere Geräusche. Außerdem wird durch diese Synchronität des Testraumzeigers mit der Pulsweitenmodulation eine saubere Entkopplung des von der feldorientierten Regelung geforderten Spannungs-Raumzeigers und des Testraumzeigers ermöglicht.By synchronizing the test space pointer to the pulse width modulation of a field-oriented control of the Rotary field machine with an effective inductance dependent on the rotor position achieved a high usable bandwidth. Furthermore arise at Determination of the rotor position less noise. In addition, this synchronicity of the test space pointer with pulse width modulation a clean decoupling of the field-oriented control required voltage space vector and of the test space pointer.

Dieser zur Pulsweitenmodulation synchrone Testraumzeiger erzeugt im Stromraumzeiger der Drehfeldmaschine einen testsignalbedingten Stromwechselanteil, der nur vom Testsignal und der Rotorlage der feldorientiert betriebenen Drehfeldmaschine abhängig ist. Außerdem ist dieser Stromwechselanteil unabhängig vom angeforderten Spannungs-Raumzeiger. Damit ist der testsignalbedingte Stromwechselanteil proportional zu einem Fehlerwinkel, der zwischen einer geschätzten und der tatsächlichen Rotorlage auftritt. Sobald dieser Fehlerwinkel zu Null geregelt worden ist, entspricht die nachgeführte geschätzte Rotorlage der tatsächlichen Rotorlage der feldorientiert betriebenen Drehfeldmaschine. Zur Ermittlung dieses testbedingten Stromwechselanteils werden wenigstens zwei Stromamplituden pro Schaltperiode eines Strom-Raumzeigers verwendet. Da der Testraumzeiger synchron zur Pulsweitenmodulation ist, kann mit einfachen Mitteln der testbedingte Stromwechselanteil wieder vom Motorstrom-Raumzeiger der feldorientiert betriebenen Drehfeldmaschine getrennt werden. Somit ist eine vollständige Entkopplung des Testraumzeigers von der Stromregelung der feldorientierten Regelung der Drehfeldmaschine möglich.This is a synchronous test space pointer for pulse width modulation generates a test signal-related in the current space pointer of the induction machine Current change component, which is only from the test signal and the rotor position of the field-oriented operated induction machine. Besides, is this alternating current share independently from the requested voltage space vector. This is the share of the current change caused by the test signal proportional to an error angle between an estimated and the actual Rotor position occurs. As soon as this error angle is regulated to zero the estimated rotor position corresponds to the actual one Rotor position of the field-oriented induction machine. For investigation of this test-related current change component will be at least two Current amplitudes used per switching period of a current space vector. Since the test space pointer is synchronous with the pulse width modulation, can with simple means the test-related share of electricity changes again from the motor current space vector of the field-oriented induction machine be separated. This is a complete decoupling of the test space pointer from the current control of the field-oriented control of the induction machine possible.

Bei einem vorteilhaften Verfahren wird die Richtung des Testraumzeigers so der ermittelten Rotorlage nachgeführt, dass dieser in der d-Achse der feldorientiert betriebenen Drehfeldmaschine liegt. Dadurch wird von einem vom Testraumzeiger verursachten Teststromraumzeiger kein Drehmoment erzeugt. Dadurch wird die Geräuschentwicklung der Drehfeldmaschine bei der sensorlosen Rotorlagebestimmung wesentlich reduziert.In an advantageous method, the direction of the test space pointer is adjusted to the determined rotor position in such a way that it lies in the d-axis of the field-oriented induction machine. As a result, no torque is generated by a test current space pointer caused by the test space pointer. This will reduce the noise level Rotary field machine in sensorless rotor position determination significantly reduced.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind den Unteransprüchen 3 bis 6 zu entnehmen.Further advantageous configurations of the method according to the invention are the dependent claims 3 to 6.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens schematisch veranschaulicht ist.To further explain the invention, reference is made to the drawing referenced in which a device for performing the inventive method is illustrated schematically.

1 zeigt die Struktur einer bekannten Servoregelung, in der 1 shows the structure of a known servo control in which

2 ist eine Servoregelung mit einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt, die 2 is shown a servo control with a device for performing the method according to the invention

3 zeigt einen Querschnitt durch einen Servomotor, wogegen in der 3 shows a cross section through a servo motor, whereas in the

4 die Koordinatensysteme bei einer sensorlosen Rotorlageermittlung dargestellt sind, in der 4 the coordinate systems are shown in a sensorless rotor position determination in which

5 sind mehrere Signalverläufe jeweils in einem Diagramm über der Zeit t dargestellt, die das erfindungsgemäße Verfahren wiederspiegelt, und in der 5 several signal curves are each shown in a diagram over time t, which reflects the method according to the invention, and in

6 sind mehrere Spannungsverläufe jeweils mit einem zugehörigen Stromverlauf jeweils in einem Diagramm über der Zeit t veranschaulicht, wobei die 6 are several voltage profiles each with an associated current profile each illustrated in a diagram over the time t, the

7 anhand der Auswertung mehrerer Strommesswerte pro Schaltperiode die vollständige Entkopplung des Testraumzeigers von der Stromregelung aufzeigt. 7 based on the evaluation of several current measured values per switching period, the complete decoupling of the test space pointer from the current control is shown.

Gemäß der Struktur der bekannten Servoregelung besteht diese aus einem Lageregelkreis 2, einem Drehzahlregelkreis 4, einem Stromregelkreis 6 und einer Transformationseinrichtung 8. Diese Regelung erzeugt einen Raumzeiger als Stellgröße, der mittels eines Modulators 10 in Ansteuersignale für einen Leistungsteil 12, beispielsweise einem selbstgeführten Pulsstromrichter, gewandelt wird. Diese Ansteuersignale werden mittels einer Verriegelungseinrichtung 14 miteinander verriegelt. Das Leistungsteil 12 steuert eine Drehfeldmaschine 16 mit einer von der Rotorlage Θ abhängigen wirksamen Induktivität. Eine derartige Drehfeldmaschine 16 ist eine permanenterregte Synchronmaschine. Der Stromregelkreis 6 ist dem Drehzahlregelkreis 4 unterlagert, der wiederum dem Lageregelkreis 2 unterlagert ist.According to the structure of the known servo control, it consists of a position control loop 2 , a speed control loop 4 , a current control loop 6 and a transformation device 8th , This control generates a room pointer as a manipulated variable, which is generated using a modulator 10 in control signals for a power unit 12 , for example a self-commutated pulse converter, is converted. These control signals are by means of a locking device 14 locked together. The power section 12 controls a three-phase machine 16 with an effective inductance dependent on the rotor position Θ. Such an induction machine 16 is a permanently excited synchronous machine. The current control loop 6 is the speed control loop 4 subordinate to the position control loop 2 is subordinate.

Der Lageregelkreis 2 besteht aus einem Regler 20 und einem Vergleicher 22, der ausgangsseitig mit dem Eingang des Reglers 20 verknüpft ist. Am invertierenden Eingang des Verglei chers 22 steht ein ermittelter Rotorlagewert T, wogegen ein zugehöriger Sollwert Θ* am nichtinvertierenden Eingang dieses Vergleichers 22 ansteht. Am Ausgang des Reglers 20 des Lageregelkreises 2 steht eine Drehzahl-Stellgröße Θ . y an, die einem nichtinvertierenden Eingang eines Vergleichers 24 des unterlagerten Drehzahlregelkreises 4 zugeführt wird. Auch dieser Drehzahlregelkreis 4 weist einen Regler 26 auf, der dem Vergleicher 24 nachgeschaltet ist. Am invertierenden Eingang des Vergleichers 24 steht ein ermittelter Drehzahl-Istwert Θ . an, der beispielsweise aus dem Rotorlagewert T durch Differenziation abgeleitet ist. An einem zweiten nichtinvertierenden Eingang steht ein Drehzahl-Sollwert Θ .* an. Mittels diesem Drehzahlregelkreis 4 wird ein Sollwert einer drehmomentbildenden Stromkomponente i * / q erzeugt. Da die Drehfeldmaschine 16 eine permanenterregte Synchronmaschine ist, wird kein Flussregelkreis benötigt, der eine flussbildende Stromsollwertkomponente i * / d erzeugt. Aus diesem Grund ist der Sollwert der flussbildenden Stromkomponente i * / d gleich Null.The position control loop 2 consists of a controller 20 and a comparator 22 , the output side with the input of the controller 20 is linked. At the inverting input of the comparator 22 there is a determined rotor position value T, whereas an associated setpoint Θ * at the non-inverting input of this comparator 22 pending. At the output of the controller 20 of the position control loop 2 there is a speed control variable Θ , y to a non-inverting input of a comparator 24 of the subordinate speed control loop 4 is fed. This speed control loop too 4 has a regulator 26 on that of the comparator 24 is connected downstream. At the inverting input of the comparator 24 there is a determined actual speed value Θ , which is derived, for example, from the rotor position value T by differentiation. At a second non-inverting input there is a speed setpoint #. .* on. Using this speed control loop 4 a setpoint of a torque-forming current component i * / q is generated. Because the induction machine 16 is a permanently excited synchronous machine, no flux control loop is required that generates a flux-forming current setpoint component i * / d. For this reason, the setpoint of the flux-forming current component i * / d is zero.

Der Stromregelkreis 6 dieser feldorientierten Regelung weist für die beiden feldorientierten Stromkomponenten i * / d und i * / q zwei Regelkanäle auf. Jeder Regelkanal weist einen Vergleicher 28 bzw. 30 und einen Regler 32 bzw. 34 auf. An den nichtinvertierenden Eingängen dieser Vergleicher 28 und 30 steht jeweils ein Sollwert, der drehmoment- und flussbildenden Stromkomponente i * / q und i * / d an. An deren invertierenden Eingängen stehen die korrespondierenden Istwerte der drehmoment- und flussbildenden Stromkomponente iq und id an. Jeder Regler 32 und 34 erzeugt einen Spannungswert einer Spannungskomponente u * / q und u * / d des vom Stromregelkreis 6 geforderten Spannungs-Raumzeigers

Figure 00080001
. Diese feldorientierten Spannungskomponenten u * / q und u * / d werden mittels eines Vektordrehers 36 der Transformationseinrichtung 8 in ständerorientierte Spannungskomponente u * / und u * / α gedreht. Für diese Vektordrehung wird der ermittelte Rotorlagewert Θ benötigt. Mittels eines weiteren Vektordrehers 38 dieser Transformationseinrichtung 8 werden auch die ermittelten ständerorientierten Stromkomponenten iα und iβ des Motorstroms-Raumzeigers
Figure 00090001
in feldorien tierte Stromkomponenten id und iq unter Zuhilfenahme des ermittelten Rotorlagewertes Θ gedreht. Diese Transformationseinrichtung 8 ist somit eine Schnittstelle zwischen der feldorientierten Regelung und der stromrichtergespeisten Drehfeldmaschine 16.The current control loop 6 This field-oriented control has two control channels for the two field-oriented current components i * / d and i * / q. Each control channel has a comparator 28 respectively. 30 and a regulator 32 respectively. 34 on. At the non-inverting inputs of these comparators 28 and 30 there is a setpoint, the torque and flux-forming current components i * / q and i * / d. The corresponding actual values of the torque and flux-forming current components i q and i d are present at their inverting inputs. Any regulator 32 and 34 generates a voltage value of a voltage component u * / q and u * / d of the current control loop 6 required voltage space vector
Figure 00080001
, These field-oriented voltage components u * / q and u * / d are generated using a vector rotator 36 the transformation device 8th into stand-oriented voltage component u * / and u * / α turned. The determined rotor position value Θ is required for this vector rotation. Using another vector rotator 38 this transformation device 8th also the determined stator-oriented current components i α and i β of the motor current space vector
Figure 00090001
rotated into field-oriented current components i d and i q with the help of the determined rotor position value Θ. This transformation device 8th is thus an interface between the field-oriented control and the converter-fed induction machine 16 ,

Damit der generierte Spannungs-Sollraumzeiger u * / d und u * / q mittels des Leistungsteils 12 an die Drehfeldmaschine 16 angelegt werden kann, müssen die beiden ständerorientierten Spannungskomponenten u * / α und u * / β mittels des Modulators 10, beispielsweise ein Pulsweitenmodulator, in phasenbezogene Steuersignale gewandelt werden. Diese erzeugten phasenbezogenen Steuersignale werden mittels der Verriegelungseinrichtung 14 gegeneinander verriegelt. Diese Verriegelungseinrichtung 14 sorgt dafür, dass kein Brückenkurzschluss im Leistungsteil 12 bei funktionstüchtigen Halbleiterschalter auftreten kann. Der in der Drehfeldmaschine 16 fließende Strom wird phasenmäßig erfasst und mittels eines Koordinatenwandlers 40 in orthogonale Stromkomponenten iα und iβ eines ständerorientierten kartesischen Koordinatensystems transformiert.So that the generated voltage setpoint pointer u * / d and u * / q by means of the power section 12 to the induction machine 16 can be applied, the two stand-oriented voltage components u * / α and u * / β by means of the modulator 10 , for example a pulse width modulator, are converted into phase-related control signals. These phase-related control signals are generated by means of the locking device 14 locked against each other. This locking device 14 ensures that there is no short circuit in the power section 12 can occur with functional semiconductor switches. The one in the induction machine 16 flowing current is recorded in phases and by means of a coordinate converter 40 transformed into orthogonal current components i α and i β of a column-oriented Cartesian coordinate system.

Die 2 zeigt die Struktur einer bekannten Servoregelung gemäß 1, die um eine Vorrichtung 42 zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens erweitert ist. Der Lage-, Drehzahl- und Stromregelkreis 2, 4 und 6 sind zu einer Regelung 18 zusammengefasst, an deren Eingängen ein Rotorlage-Istwert Θ, ein Drehzahl-Istwert Θ ., ein Rotorlage-Sollwert T*, ein Drehzahl-Sollwert Θ .* und die Stromkomponenten id und iq eines ermittelten Motorstrom-Raumzeigers

Figure 00090001
anstehen. Außerdem weist diese Struktur der bekannten Servoregelung eine Vorrichtung 44 auf, mit der in bekannter Weise die Rotorlage T der Drehfeldmaschine 16 bei hoher Drehzahl Θ . ermittelt wird.The 2 shows the structure of a known Servo control according to 1 that around a device 42 is expanded to carry out the method according to the invention. The position, speed and current control loop 2 . 4 and 6 are a regulation 18 summarized, at the inputs of a rotor position actual value Θ, an actual speed value # ., a rotor position target value T *, a rotational speed target value Θ . * and the current components i d and i q of a determined motor current space vector
Figure 00090001
queue. In addition, this structure of the known servo control has a device 44 on, with the rotor position T of the induction machine in a known manner 16 at high speed Θ , is determined.

Diese Vorrichtung 44 weist ein EMK-Modell 46, eine Einrichtung 48 zur Bestimmung eines Fehlerwinkels ε und einer Einrichtung 50 zur Bestimmung des Vorzeichens der Drehzahl Θ . auf. Der ermittelte Fehlerwinkel ε wird einem Phasenregelkreis 52 zugeführt, der den Rotorlage-Istwert Θ derart nachführt, dass der Fehlerwinkel ε zu Null wird.This device 44 has an EMF model 46 , An institution 48 for determining an error angle ε and a device 50 to determine the sign of the speed? , on. The determined error angle ε becomes a phase locked loop 52 supplied, which tracks the actual rotor position Θ in such a way that the error angle ε becomes zero.

Das EMK-Modell 46 weist spannungsseitig einen Vektordreher 54 auf, der den feldorientierten Spannungs-Sollraumzeiger u * / d,q in einen ständerorientierten Spannungs-Sollraumzeiger u * / α,β mit Hilfe des ermittelten Rotorlage-Istwertes Θ dreht. Stromseitig weist dieses EMK-Modell 46 eine Einrichtung 56 zur Bestimmung stromabhängiger Spannungsabfälle auf, die mittels eines Subtrahierers 58 vom ständerorientierten Spannungs-Sollraumzeiger u * / α,β subtrahiert werden. Am Ausgang dieses Subtrahierers 58 stehen die orthogonalen Komponenten uΕΜΚα und uEMKβ des induzierten Spannungs-Raumanzeigers

Figure 00100001
an. Mittels diesem EMK-Modell 46 wird die ständerfeste Spannungsgleichung der Drehfeldmaschine 16 umgesetzt. Dieses EMK-Modell 46 ist auch als Spannungs-Modell bekannt. In den im Handel erhältlichen Stromrichtergeräten mit feldorientierter Regelung können anstelle eines Spannungs-Modells auch ein Strom-Modell bzw. ein Spannungs-Strom-Modell als EMK-Modell 46 verwendet werden.The EMK model 46 has a vector rotator on the voltage side 54 which converts the field-oriented voltage setpoint pointer u * / d, q into a stand-oriented voltage setpoint pointer u * / α,β with the help of the determined actual rotor position value Θ. On the current side, this EMF model 46 An institution 56 to determine current-dependent voltage drops, using a subtractor 58 from the stand-oriented voltage setpoint pointer u * / α,β be subtracted. At the exit of this subtractor 58 are the orthogonal components u ΕΜΚα and u EMKβ of the induced voltage space indicator
Figure 00100001
on. Using this EMF model 46 becomes the steady state voltage equation of the induction machine 16 implemented. This EMF model 46 is also known as a voltage model. In the commercially available converter devices with field-oriented control, instead of a voltage model, a current model or a voltage-current model can also be used as an EMF model 46 be used.

Der ermittelte Raumzeiger

Figure 00100001
, der im kartesischen Koordinaten vorliegt, wird mittels eines Koordinatenwandlers 60 in polare Koordinaten umgewandelt, wobei die Winkelkoordinaten ΘEMK mittels eines nachgeschalteten Vergleichers mit einem ermittelten Rotorlage-Istwert Θ verglichen wird. Ausgangsseitig steht dann ein Fehlerwinkel ε' an, der der Einrichtung 50 zur Bestimmung des Vorzeichens des Drehzahl-Istwertes Θ . zugeführt wird. Am Ausgang dieser Einrichtung 50 steht dann der korrekte Fehlerwinkel e an. Diese Einrichtung 50 weist eine Vorzeichenerkennung 64 und einen Vergleicher 66 auf. Mittels dieser Vorrichtung 44 in Verbindung mit dem Pha senregelkreis 52 kann der Rotorlage-Istwert T bei hoher Drehzahl Θ . ermittelt werden.The determined space pointer
Figure 00100001
, which is in Cartesian coordinates, is by means of a coordinate converter 60 converted into polar coordinates, the angular coordinates Θ EMF being compared with a determined actual rotor position value Θ by means of a downstream comparator. An error angle ε 'then occurs on the output side, that of the device 50 to determine the sign of the actual speed value Θ , is fed. At the exit of this facility 50 the correct error angle e is then present. This facility 50 has a sign recognition 64 and a comparator 66 on. By means of this device 44 in connection with the phase control loop 52 can the actual rotor position value T at high speed? , be determined.

Diese bekannte Vorrichtung 44 kann nur bis zu einer unteren Drehzahl Θ . G betrieben werden, die beispielsweise 5% der Nenndrehzahl Θ . n der Drehfeldmaschine 16 entspricht. Bis zu dieser unteren Grenz-Drehzahl Θ . G kann ein EMK-Raumzeiger

Figure 00100001
bestimmt werden.This known device 44 can only up to a lower speed Θ , G which are operated, for example, 5% of the nominal speed Θ , n of the induction machine 16 equivalent. Up to this lower limit speed Θ , G can be an EMF space pointer
Figure 00100001
be determined.

Um die Rotorlage Θ einer Drehfeldmaschine 16 auch unterhalb dieser Grenz-Drehzahl Θ . G bestimmen zu können, ohne dass man einen mechanischen Sensor verwenden muss, ist die Vorrichtung 42 zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen. Diese Vorrichtung 42 weist einerseits eine Einrichtung 68 zur Gggenerierung eines Testraumzeigers

Figure 00110001
mit einer nach geschalteten Additionseinrichtung 70 und andererseits eine Recheneinheit 72 mit nachgeschalteter Umrecheneinrichtunq 74 auf. Diese Additionseinrichtung 70 weist für jede feldorientierte Komponente d, q einen Addierer auf, so dass die Komponenten d, q des geforderten Spannungs-Sollraumzeigers
Figure 00110002
und die Komponenten d und q des generierten Testraumes
Figure 00110001
komponentenweise überlagert werden können. Dadurch entsteht ein Spannungs-Sollraumzeiger
Figure 00110003
der einen hochfrequenten Wechselanteil aufweist. Dieser Spannungs-Sollraumzeiger
Figure 00110003
wird mittels des Leistungsteils 12 an den Ständerwicklungen der Drehfeldmaschine 16 angelegt. Dadurch fließt in der Drehfeldmaschine 16 ein Motorstrom, der ebenfalls einen hochfrequenten Wechselanteil aufweist. Die orthogonalen Stromkomponenten idW und iqW dieses Motorstrom-Raumanzeigers
Figure 00110004
werden ständerseitig ermittelt und mittels des Vektordrehers 38 in feldorientierte Stromkomponenten idW und iqW transformiert. Mittels der Recheneinrichtung 72 wird das Testsignal vollständig vom Strom-Istraumzeigers
Figure 00090001
getrennt. Als Ergebnis erhält man an den beiden Ausgängen der Recheneinrichtung 72 ei nerseits einen testsignalbedingten Stromwechselanteil AW und feldorientierte Komponenten d und q eines Strom-Istraumzeigers
Figure 00090001
, der keinen testsignalbedingten Stromwechselanteil AW Around the rotor position Θ of a three-phase machine 16 even below this limit speed Θ , To be able to determine G without having to use a mechanical sensor is the device 42 provided for carrying out the method according to the invention. This device 42 has a facility on the one hand 68 for generating a test space pointer
Figure 00110001
with an addition device connected downstream 70 and on the other hand an arithmetic unit 72 with subsequent conversion device 74 on. This adder 70 has an adder for each field-oriented component d, q, so that the components d, q of the required voltage target space vector
Figure 00110002
and the components d and q of the generated test room
Figure 00110001
can be overlaid component by component. This creates a voltage target space pointer
Figure 00110003
which has a high-frequency alternating component. This voltage target space pointer
Figure 00110003
is by means of the power section 12 on the stator windings of the induction machine 16 created. This causes the induction machine to flow 16 a motor current that also has a high-frequency alternating component. The orthogonal current components i dW and i qW of this motor current space indicator
Figure 00110004
are determined on the stand side and by means of the vector rotator 38 transformed into field-oriented current components i dW and i qW . By means of the computing device 72 the test signal is completely from the current Istra space pointer
Figure 00090001
Cut. The result is obtained at the two outputs of the computing device 72 On the one hand, a test signal-related current change component A W and field-oriented components d and q of a current Istraum pointer
Figure 00090001
which has no test signal-related current change component A W

mehr aufweist. Dieser testsignalbedingte Stromwechselanteil AW hängt nur noch vom Testsignal und der Rotorlage T der Drehfeldmaschine 16 ab. Aus diesem testsignalbedingten Stromwechselanteil AW, der proportional zum Sinus des doppelten Fehlerwinkels ε ist, wird mittels der Umrecheneinrichtung 74 der Fehlerwinkel e bestimmt. Im eingeschwungenen Zustand ist dieser Fehlerwinkel e gleich Null, womit an einem Ausgang des Phasenregelkreises 52 die wahre Rotorlage Θ der Drehfeldmaschine 16 ansteht.has more. This test signal-related current change component A W only depends on the test signal and the rotor position T of the induction machine 16 from. This conversion signal component A W , which is proportional to the sine of the double error angle ε, is used to generate this test signal by means of the conversion device 74 the error angle e determines. In the steady state, this error angle e is zero, which means at an output of the phase locked loop 52 the true rotor position Θ of the induction machine 16 pending.

Die Recheneinrichtung 72 weist zwei Auswerteeinrichtungen 76 und 78 auf, mit denen ermittelte Stromamplituden a, b, c, d und e der feldorientierten Stromkomponenten idW und iqW pro Schaltperiode TS gewichtet und zu einem Stromwert addiert werden. Dazu weisen diese Auswerteeinrichtungen 76 und 78 jeweils eine Vorschrift auf, mit denen der testsignalbedingte Stromwechselanteil AW und die Stromamplitude A des feldorientierten Motorstrom-Istraumzeigers

Figure 00120001
bestimmt werden. In der Umrecheneinrichtung 74 ist ebenfalls eine Rechenvorschrift hinterlegt. Diese lautet 0,5 × arcsin. Die Vorschriften der beiden Auswerteeinrichtungen 76 und 78 werden anhand der 6 und 7 näher erläutert.The computing device 72 has two evaluation devices 76 and 78 with which the determined current amplitudes a, b, c, d and e of the field-oriented current components i dW and i qW are weighted per switching period T S and added to a current value. For this purpose, these evaluation devices 76 and 78 a rule with which the test signal-related current change component A W and the current amplitude A of the field-oriented motor current Istraum pointer
Figure 00120001
be determined. In the conversion facility 74 a calculation rule is also stored. This is 0.5 × arcsin. The regulations of the two evaluation devices 76 and 78 are based on the 6 and 7 explained in more detail.

In der 3 ist der Querschnitt durch eine Drehfeldmaschine 16, insbesondere ein Servomotor, dargestellt. Der Rotor 80 dieses Servomotors 16 weist zwei Permanentmagnete 82 und 84 auf, die einen Erregerfluss erzeugen. Die Richtung dieses Erregerflusses wird als d-Achse bezeichnet. Wenn sich der Rotor 80 in positiver Richtung dreht, wird eine Spannung senkrecht dazu induziert. Diese Richtung wird als q-Achse bezeichnet. Diese induzierte Spannung wird auch als EMK-Spannung bzw. EMK-Raumzeiger

Figure 00100001
bezeichnet. Wenn eine Spannung an die ruhende Maschine 16 angelegt wird, dann ändert sich der Maschi nenstrom. Die dabei wirksame Induktivität ist in der d-Achse geringer als in der q-Achse, da der magnetische Fluss der Permanentmagnete 82 und 84 den Eisenkreis in der d-Richtung sättigt.In the 3 is the cross section through a induction machine 16 , in particular a servo motor. The rotor 80 this servo motor 16 has two permanent magnets 82 and 84 that generate a pathogen flow. The direction of this excitation flow is called the d-axis. If the rotor 80 turns in the positive direction, a voltage is induced perpendicular to it. This direction is called the q-axis. This induced voltage is also called the EMF voltage or EMF space vector
Figure 00100001
designated. When a voltage to the machine at rest 16 is applied, then the machine current changes. The effective inductance is less in the d-axis than in the q-axis because the magnetic flux of the permanent magnets 82 and 84 saturates the iron circle in the d direction.

Beim Betrieb ohne mechanischen Sensor ist die wahre Rotorlage T nicht bekannt, daher arbeitet die Lageerkennung mit einem umlaufenden x, y-Koordinatensystem. In der 4 ist dieses umlaufende x, y-Koordinatensystem mit dem ständerfesten α,β-Koordinatensystem und mit dem umlaufenden d, q-Rotorkoordinatensystem dargestellt. Die d-Achse dieses d, q-Rotorkoordinatensystem befindet sich in der Erregerflussrichtung des von den Permanentmagneten 82 und 84 erzeugten Erregerflusses. Dieses mit der Rotorgeschwindigkeit ω umlaufende d, q-Koordinatensystem, weist einen von der Rotorgeschwindigkeit ω abhängigen Rotorlagewert Θ auf. In der 4 ist das umlaufende x, y-Koordinatensystem nacheilend zum d, q-Koordinatensystem eingezeichnet. Der Winkel zwischen diesen beiden umlaufenden Koordinatensystemen ist e, der als Fehlerwinkel bezeichnet wird. Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird von einem geschätzten bzw., bestimmten Anfangslagewinkelwert ausgegangen. Als Ergebnis erhält man einen Fehlerwinkel e, der angibt, wie weit das x, y-Koordinatensystem gegenüber dem d, q-Koordinatensystem verdreht ist. Mittels des Phasenregelkreises 52 wird der Anfangslagewinkelwert derart nachgeführt, dass der Fehlerwinkel e zu Null wird. Sobald der Fehlerwinkel ε Null ist, entspricht der geführte Anfangslagewinkelwert dem tatsächlichen Rotorlagewert Θ der Drehfeldmaschine 16. In der 4 wäre dann das x, y-Koordinatensystem und das d, q-Rotorkoordinatensystem deckungsgleich.When operating without a mechanical sensor, the true rotor position T is not known, so the position detection works with an encircling x, y coordinate system. In the 4 this rotating x, y coordinate system is shown with the fixed α, β coordinate system and with the rotating d, q rotor coordinate system. The d-axis of this d, q rotor coordinate system is in the direction of the excitation flux of the permanent magnet 82 and 84 generated excitation flow. This d, q coordinate system rotating with the rotor speed ω has a rotor position value Θ which is dependent on the rotor speed ω. In the 4 the circumferential x, y coordinate system is drawn behind the d, q coordinate system. The angle between these two rotating coordinate systems is e, which is called the error angle. In the method according to the invention, an estimated or determined initial position angle value is assumed. The result is an error angle e which indicates how far the x, y coordinate system is rotated relative to the d, q coordinate system. By means of the phase locked loop 52 the initial position angle value is tracked in such a way that the error angle e becomes zero. As soon as the error angle ε is zero, the guided initial position angle value corresponds to the actual rotor position value Θ of the induction machine 16 , In the 4 the x, y coordinate system and the d, q rotor coordinate system would then be congruent.

In der 5 sind mehrere Signalverläufe der erfindungsgemäßen Servoregelung gemäß 2 jeweils in einem Diagramm über der Zeit t dargestellt. Die Zeitspanne dieser Signalverläufe erstreckt sich über drei Schaltintervalle n-1, n und n+1. Die Signalverläufe u * / d,q, uT und uW zeigen jeweils eine Komponente der entsprechenden Raumzeiger

Figure 00110002
Figure 00130001
und
Figure 00130002
die jeweils aus zwei orthogonalen Komponenten bestehen. Zur Verdeutlichung des erfindungsgemäßen Verfahrens genügt, dass jeweils nur eine Komponente dieser Raumzeiger
Figure 00080001
Figure 00110001
und
Figure 00130002
dargestellt sind.In the 5 are several waveforms of the servo control according to the invention 2 each shown in a diagram over time t. The time span of these signal curves extends over three switching intervals n-1, n and n + 1. The signal profiles u * / d, q, u T and u W each show a component of the corresponding space pointer
Figure 00110002
Figure 00130001
and
Figure 00130002
each consisting of two orthogonal components. To clarify the method according to the invention, it is sufficient that only one component of these space pointers is used
Figure 00080001
Figure 00110001
and
Figure 00130002
are shown.

Die Spannungskomponente u * / d bzw. u * / q ist die vom Stromregler 34 bzw. 32 (1) gewünschte Spannungskomponente. Der Stromregler 32 bzw. 34 wird mit einem Abtastintervall TS von 250 μsec bei einer Schaltfrequenz fs = 4 kHz ausgeführt. In diesem Takt ändern sich also auch die von ihnen gewünschten Spannungswerte. Die tatsächlichen Werte hängen vom Betrieb der Maschine 16 ab, so dass die in dieser 5 gezeigten Signalverläufe nur als Beispiel zu verstehen sind. In diesem Beispiel ist die Drehzahl Θ . gleich Null, wogegen die Stromregler 32 und 34 den Strom im Taktintervall n erhöhen. Die Begrenzung des Stromregeltaktes TS auf die Schaltfrequenz fs stellt keine Einschränkung der Bandbreite des Drehzahlregelkreises 4 dar, da die sinnvolle Drehzahlregelbandbreite sowieso durch die Ungenauigkeit der aus der geschätzten Lage bestimmten Drehzahl Θ . begrenzt wird. Der Signalverlauf uT ist das synchrone, rechteckförmige Testsignal. Frequenz und Amplitude dieses Testsignals können unabhängig vom Betriebszustand der Maschine 16 konstant gelassen werden. Die Richtung des Vektors

Figure 00110001
wird insbesondere so der Rotorlage Θ nahegeführt, dass der von der Testspannung verursachte Teststrom kein Drehmoment erzeugt. Diese reduziert deutlich die Geräuschentwicklung.The voltage component u * / d or u * / q is that of the current regulator 34 respectively. 32 ( 1 ) desired voltage component. The current regulator 32 respectively. 34 is carried out with a sampling interval T S of 250 μsec at a switching frequency f s = 4 kHz. The voltage values you want also change in this cycle. The actual values depend on the operation of the machine 16 off so that in this 5 shown waveforms are only to be understood as an example. In this example, the speed Θ , zero, whereas the current regulators 32 and 34 increase the current in the clock interval n. Limiting the current control cycle T S to the switching frequency f s does not limit the bandwidth of the speed control loop 4 because the sensible speed control bandwidth is anyway caused by the inaccuracy of the speed determined from the estimated position Θ , is limited. The signal curve u T is the synchronous, rectangular test signal. The frequency and amplitude of this test signal can be independent of the operating state of the machine 16 be left constant. The direction of the vector
Figure 00110001
is particularly brought close to the rotor position insbesondere in such a way that the test current caused by the test voltage does not generate any torque. This significantly reduces noise.

Der Signalverlauf uW ist die Spannung, die durch Addition von u * / d bzw. u * / q und uT entsteht. Diese Spannung wird dem Pulsbreitenmodulator 10 zugeführt, nachdem diese in das ständerorientierte α,β-Koordinatensystem transformiert ist. Die Signalverläufe ur, us und ut sind die vom Pulsbreitenmodulator 10 erzeugten Phasenspannungen. Der Signalverlauf upwm ist die Spannung am Motor 16 (genauer: eine Komponente der vektoriellen Spannung zwischen den Motorklemmen). Der Pulsbreitenmodulator 10 sorgt dafür, dass das Integral dieser Spannung über ein Modulationsintervall Tm von 125 μsec bei einer Schaltfrequenz fs = 4 kHz der gewünschte Spannung uW entspricht. Der Signalverlauf Ipwm ist der resultierende Maschinenstrom, wobei im gezeichneten Beispiel von stillstehender Maschine 16 ausgegangen wird (also keine induzierte Gegenspannung). In Wirklichkeit ist auch dieser Strom ein Vektor, wobei hier wieder nur eine Komponente dargestellt ist. Man erkennt, dass der Strom jeweils an den Grenzen der Modulationsintervalle n–1, n und n+1 jeweils konstant ist, da dort die Spannung upwm Null ist. Diese durch einen Punkt gekennzeichneten Werte an, cn und en für das Abtastintervall n werden für die Lageerkennung benötigt. Man kann sie entweder durch eine abtastende Strommessung jeweils an den Intervallgrenzen oder durch eine mittelwertbildende Strommessung um die Intervallgrenze herum bestimmen. Die gestrichelte Linie zeigt den Stromverlauf, der sich ergeben würden, wenn die von den Stromreglern 32 und 34 geforderte Spannung u * / q und u * / d auf die Maschine 16 gegeben würde. Vergleicht man die durch Punkte gekennzeichneten tatsächlichen Stromwerte a, c und e mit dieser gestrichelten Linie, so erkennt man, dass die Werte aus einer Überlagerung des gewünschten Stromes mit einem Wechselanteil durch das Testsignal bestehen.The waveform u W is the voltage that arises by adding u * / d or u * / q and u T. This voltage is the pulse width modulator 10 supplied after it has been transformed into the stand-oriented α, β coordinate system. The signal curves u r , u s and u t are those from the pulse width modulator 10 generated phase voltages. The signal curve u pwm is the voltage on the motor 16 (more precisely: a component of the vectorial voltage between the motor terminals). The pulse width modulator 10 ensures that the integral of this voltage corresponds to the desired voltage u W over a modulation interval T m of 125 μsec at a switching frequency f s = 4 kHz. The signal curve I pwm is the resulting machine current , in the example shown from a stationary machine 16 is assumed (i.e. no induced counter voltage). In reality, this stream is also a vector, but again only one component is shown here. It can be seen that the current is constant at the limits of the modulation intervals n-1, n and n + 1, since there the voltage u pwm is zero. These values a n , c n and e n for the sampling interval n indicated by a dot are required for the position detection. They can be determined either by a scanning current measurement at the interval limits or by an average current measurement around the interval limit. The dashed line shows the current curve, which would result if the current regulator 32 and 34 required voltage u * / q and u * / d on the machine 16 would be given. If you compare the actual current values a, c and e marked with dots with this dashed line, you can see that the values from a superposition of the desired one Current with an alternating component through the test signal.

Die Trapeze unten im Diagramm der 5 zeigen die Messintervalle für die mittelwertbildende Strommessung. Die Mittelwerte des Stromes über die eingezeichneten Intervalle a, c und e entsprechen den Abtastwerten a, c und e, wenn der Nullzeiger mindestens so breit wie das Messintervall ist. Alle diese Werte sind Vektoren. Da das Testsignal und die Testsignalauswertung nur bei kleineren Drehzahlen benötigt werden, bei denen auch die induzierte Spannung klein ist, stellt dies beim eingesetzten Servomotor kein Problem dar. Hieraus ergibt sich aber eine Grenze für die Spannung und damit für das Produkt aus Teststrom-Amplitude und -Frequenz, so dass bei hoher Motorinduktivität unter Umständen die Testsignalfrequenz reduziert werden muss. Dies kann entweder durch eine Verringerung der Schaltfrequenz oder durch eine Verdopplung der Testsig nalperiode und des Stromregeltaktes bei konstanter Schaltfrequenz realisiert werden.The trapezoid below in the diagram of the 5 show the measuring intervals for the average current measurement. The mean values of the current over the intervals shown a . c and e correspond to the samples a, c and e if the zero pointer is at least as wide as the measuring interval. All of these values are vectors. Since the test signal and the test signal evaluation are only required at lower speeds, at which the induced voltage is also small, this is not a problem for the servo motor used. However, this results in a limit for the voltage and thus for the product of the test current amplitude and Frequency, so that the test signal frequency may have to be reduced if the motor inductance is high. This can be achieved either by reducing the switching frequency or by doubling the test signal period and the current control cycle at a constant switching frequency.

Bei der praktischen Realisierung des Testsignals müssen einige Randbedingungen betrachtet werden:

  • – Das Testsignal soll mit der normalen Pulsbreitenmodulation realisierbar sein.
  • – Das Testsignal sollte möglichst hochfrequent sein, da dann
  • – eine schnellere Lageerkennung möglich ist
  • – die Geräuschentwicklung reduziert wird.
  • – Es soll gleichzeitig der Stromregelkreis betrieben werden.
  • – Es soll eine gute Entkopplung der Lageerkennung von dynamischen Vorgängen möglich sein.
  • – Der resultierende Strom muss mit der Stromistwerterfassung auswertbar sein.
In the practical implementation of the test signal, some boundary conditions have to be considered:
  • - The test signal should be realizable with normal pulse width modulation.
  • - The test signal should be as high-frequency as possible, because then
  • - A faster position detection is possible
  • - The noise is reduced.
  • - The current control loop should be operated at the same time.
  • - It should be possible to decouple the position detection from dynamic processes.
  • - The resulting current must be evaluable with the current actual value acquisition.

Die angegebenen Bedingungen lassen sich am besten mit einem zur Pulsweitenmodulation synchronen Testsignal erfüllen. Die Pulsweitenmodulation mit Raumzeigermodulation sorgt durch geeignete Verschiebung der Umschaltpunkte der drei Phasen dafür, dass die Spannung am Motor gemittelt über eine Modulationsperiode der gewünschten Spannung u * / α, u * / β entspricht. Die Null-Komponente wird so gewählt, dass gilt: max (ur, us, ut) = –min (ur, us, ut) The specified conditions can best be met with a test signal that is synchronous with pulse width modulation. The pulse width modulation with space vector modulation ensures that the voltage across the motor is averaged over a modulation period of the desired voltage u * / α, u * / β equivalent. The zero component is chosen such that: max (u r , u s , u t ) = –Min (u r , u s , u t )

Als Modulationsintervall kann eine halbe Schaltperiode (oder Vielfache davon) gewählt werden. Mit einem Modulationsintervall von einer halben Schaltperiode TS kann ein Testsignal mit einer Frequenz gleich der Schaltfrequenz fs erzeugt werden.Half a switching period (or a multiple thereof) can be selected as the modulation interval. With a modulation interval of half a switching period T S , a test signal with a frequency equal to the switching frequency f s can be generated.

Um gleichzeitig die Stromregelung betreiben zu können, wird das Testsignal zur vom Stromregler gewünschten Spannung u * / d,q addiert. Daraus ergibt sich jedoch das Problem, dass dynamische Regelvorgänge mit entsprechend schnellen Spannungsände rungen ebenfalls hochfrequente Signalanteile enthalten, die somit zu unerwünschten Wechselwirkungen mit dem Testsignal uT führen können. Dies wird dadurch vermieden, dass der Stromregler nur in jeder zweiten Modulationsperiode TM einen neuen Spannungswert u * / d,q ausgeben darf (z.B. indem die Abtastrate der Stromregelung gleich der Schaltfrequenz fs gesetzt wird).In order to be able to operate the current control at the same time, the test signal is added to the voltage u * / d, q desired by the current controller. However, this results in the problem that dynamic control processes with correspondingly rapid voltage changes also contain high-frequency signal components, which can therefore lead to undesired interactions with the test signal u T. This is avoided by the fact that the current controller may only output a new voltage value u * / d, q in every second modulation period T M (for example by setting the sampling rate of the current control equal to the switching frequency f s ).

Zur Erläuterung der Ermittlung eines testsignalbedingten Stromwechselanteils AW pro Schaltperiode TS in Abhängigkeit ermittelter Stromamplituden a, b, c, d und e sind in der 6 die Spannungsverläufe u * / d,q, uT und uW mit den zugehörigen Stromverläufen id,q, iT und iW näher dargestellt. In der 7 daneben sind die Ergebnisse der testsignalbedingten Stromwechselanteile AW und die Stromistwerte A in Abhängigkeit der beiden Vorschriften für den testsignalbedingten Stromwechselanteil AW und den Stromistwert A dargestellt. Die Vorschrift zur Bestimmung des testsignalbedingten Stromwechselanteils AW lautet: AW = (2·c – a – e)/4 und die Vorschrift zur Bestimmung des Stromistwertes A ohne den Stromwechselanteil AW lautet: A = (0,5·a + b + c + d + 0,5·e)/4. To explain the determination of a test signal-related current change component A W per switching period T S as a function of determined current amplitudes a, b, c, d and e are in the 6 the voltage profiles u * / d, q, u T and u W with the associated current profiles i d, q , i T and i W are shown in more detail. In the 7 in addition, the results of the test signal-related current change component A W and the actual current values A are shown as a function of the two regulations for the test signal-dependent current change component A W and the current actual value A. The regulation for determining the test signal-related current change component A W is: A W = (2c - a - e) / 4 and the regulation for determining the actual current value A without the alternating current component A W is: A = (0.5a + b + c + d + 0.5e) / 4.

Durch diese beiden Vorschriften wird eine vollständige Entkopplung des Testsignals von der Stromregelung erreicht, was durch die Zahlenbeispiele verdeutlicht wird.Through these two regulations a complete Decoupling the test signal from the current control achieves what is illustrated by the numerical examples.

Der Spannungsverlauf u * / d,q verursacht einen Stromverlauf id,q in der Maschine 16 im Abtastintervall n mit den Stromamplituden a = 0, b = 1, c = 2, d = 3 und e = 4. Daraus ergeben sich in Abhängigkeit der genannten Vorschriften ein Wert für den Stromwechselanteil AW = 0 und für den Stromistwert A = 2. Das Testsignal uT verursacht im Abtastintervall n einen Stromverlauf iT, deren Stromamplituden wie folgt lauten: a = –1, b = 0, c = 1, d = 0 und e = –1. Daraus ergeben sich folgende Stromwerte AW = 1 und A = 0. Im nächsten Diagramm ist der aus den Spannungsverläufen u * / d,q und uT entstandene Spannungsverlauf uW mit zugehörigen Stromverlauf iW dargestellt. Im Abtastintervall n lauten die Stromamplituden wie folgt: a = –1, b = 1, c = 3, d = 3 und e = 3. Daraus resultiert ein testsignalbedingter Stromwechselanteil AW = 1 und ein Stromistwert A = 2. Das zeigt, dass mit den beiden angegebenen Vorschriften eine vollständige Entkopplung des Testsignals, das beispielsweise im Abtastintervall n einen Stromwechselanteil AW = 1 generiert, von der Stromregelung, die im Abtastintervall n einen Stromistwert A = 2 generiert, möglich wird.The voltage profile u * / d, q causes a current profile i d, q in the machine 16 in the sampling interval n with the current amplitudes a = 0, b = 1, c = 2, d = 3 and e = 4. This results in a value for the alternating current component A W = 0 and for the actual current value A = 2, depending on the specified regulations The test signal u T causes a current profile i T in the sampling interval n, the current amplitudes of which are as follows: a = −1, b = 0, c = 1, d = 0 and e = −1. This results in the following current values A W = 1 and A = 0. The next diagram shows the voltage profile u W resulting from the voltage profiles u * / d, q and u T with the associated current profile i W. In the sampling interval n, the current amplitudes are as follows: a = -1, b = 1, c = 3, d = 3 and e = 3. This results in a test signal-related current change component A W = 1 and an actual current value A = 2. This shows that With the two specified regulations, a complete decoupling of the test signal, which, for example, generates a current change component A W = 1 in the sampling interval n, is possible from the current control, which generates an actual current value A = 2 in the sampling interval n.

Mit dem zur Pulsweitenmodulation synchronen feldorientierten Testraumzeiger

Figure 00110001
und der synchronen Strom-Auswertung erhält man eine sensorlose Lageerkennung im Stillstand und bei kleiner Drehzahl Θ ., die folgenden Vorteile:

  • – hohe nutzbare Bandbreite
  • – geringe Geräusche
  • – Verwendung einer Standard-Pulserzeugung und eines Stan dard-Stromreglers,
  • – vollständige Entkopplung von Stromregler und Testsignal
aufweist. Außerdem muss eine bestehende Servoregelung nicht neu konzipiert werden, sondern das erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung einer Rotorlage Θ kann als separates Softwaremodul einfach in die bestehende Servoregelung integriert werden. Dieses Softwaremodul kann so integriert werden, dass es in Abhängigkeit vom Kundenwunsch aktiviert werden kann.With the field-oriented test room pointer synchronized with pulse width modulation
Figure 00110001
and the synchronous current evaluation, a sensorless position detection is obtained at standstill and at low speed Θ ., the following advantages:
  • - high usable bandwidth
  • - low noise
  • - use of standard pulse generation and a standard current regulator,
  • - Complete decoupling of current regulator and test signal
having. In addition, an existing servo control does not have to be redesigned, but the method according to the invention for determining a rotor position Θ can easily be integrated into the existing servo control as a separate software module. This software module can be integrated in such a way that it can be activated depending on customer requirements.

Claims (11)

Verfahren zur Bestimmung einer Rotorlage (Θ) einer feldorientiert betriebenen Drehfeldmaschine (16), die eine von der Rotorlage (Θ) abhängige, wirksame Induktivität aufweist, ohne einen mechanischen Sensor im Stillstand und bei kleiner Drehzahl (Θ .) mit folgenden Verfahrensschritten: a) Bereitstellung eines Testraumzeigers
Figure 00110001
, der synchron zur Pulsweitenmodulation einer feldorientierten Regelung der feldorientiert betriebenen Drehfeldmaschine (16) ist, b) komponentenweise Überlagerung dieses Testraumzeigers
Figure 00110001
zu feldorientierten Komponenten (u * / d, u * / q) eines synchron zur Pulsweitenmodulation geforderten Sollspannungs-Raumzeigers (
Figure 00080001
), c) Ermittlung wenigstens zweier Stromamplituden (a,...,e) pro Schaltperiode (TS) eines Strom-Raumzeigers
Figure 00090001
der feldorientiert betriebenen Drehfeldmaschine (16), d) Bestimmung eines testsignalbedingten Stromwechselanteils (AW) pro Schaltperiode (TS) in Abhängigkeit der ermittelten Stromamplituden (a, c, e), e) Umwandlung dieses testsignalbedingten Stromwechselanteils (AW) in einen Fehlerwinkel (e), und f) Nachführung einer geschätzten Rotorlage derart, dass der ermittelte Fehlerwinkel (ε) zu Null wird.
Method for determining a rotor position (Θ) of a field-oriented induction machine ( 16 ), which has an effective inductance dependent on the rotor position (Θ), without a mechanical sensor at standstill and at low speed ((.) with the following process steps: a) provision of a test space pointer
Figure 00110001
, which is synchronous to the pulse width modulation of a field-oriented control of the field-oriented rotating field machine ( 16 ) is, b) component-wise superimposition of this test space pointer
Figure 00110001
for field-oriented components (u * / d, u * / q) of a setpoint voltage space vector required synchronously with pulse width modulation (
Figure 00080001
), c) Determination of at least two current amplitudes (a, ..., e) per switching period (T S ) of a current space vector
Figure 00090001
the field-oriented induction machine ( 16 ), d) determining a test signal-related current change component (A W ) per switching period (T S ) as a function of the determined current amplitudes (a, c, e), e) converting this test signal-dependent current change component (A W ) into an error angle (e), and f ) Tracking an estimated rotor position in such a way that the determined error angle (ε) becomes zero.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Testraumzeiger (
Figure 00110001
) derart der ermittelten Rotorlage (Θ) nachgeführt wird, dass dieser in der d-Achse der feldorientiert betriebenen Drehfeldmaschine (16) liegt.
A method according to claim 1, characterized in that the test space pointer (
Figure 00110001
) the rotor position (Θ) determined in such a way that it is in the d-axis of the field-oriented induction machine ( 16 ) lies.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der testsignalbedingte Stromwechselanteil (AW) gemäß folgender Gleichung: AW = (2·c – a – e)/4 bestimmt wird.Method according to claim 1 or 2, characterized in that the test signal-related current change component (A W ) according to the following equation: A W = (2c - a - e) / 4 is determined. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Testraumzeiger (
Figure 00110001
) eine rechteckförmige Amplitude aufweist und dessen Frequenz gleich der Schaltfrequenz (fs) ist.
Method according to one of the preceding claims, characterized in that the test space pointer (
Figure 00110001
) has a rectangular amplitude and its frequency is equal to the switching frequency (f s ).
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit der ermittelten Stromamplituden (a,...,e) ein vom testsignalbedingter Stromwechselanteil (AW) befreiter Stromistwert (A) ermittelt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that, depending on the determined current amplitudes (a, ..., e), an actual current value (A) freed from the test signal-related current change component (A W ) is determined. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromistwert (A) gemäß folgender Gleichung: A = (0,5·a + b + c + d + 0,5·e)/4 bestimmt wird.A method according to claim 5, characterized in that the actual current value (A) according to the following equation: A = (0.5a + b + c + d + 0.5e) / 4 is determined. Vorrichtung (42) zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit einer feldorientierten Regelung (18) einer feldorientiert betriebenen Drehfeldmaschine (16), dadurch gekennzeichnet, dass eine Einrichtung (68) zur Generierung eines Testraumzeiger (
Figure 00110001
), eine Additionseinrichtung (70), eine Recheneinrichtung (72) und eine Umrecheneinrichtung (74) vorgesehen ist, dass die beiden Ausgänge der Einrichtung (68) jeweils mit einem Addierer der Additionseinrichtung (70) verbunden sind, deren zweite Eingänge jeweils mit einem Ausgang eines Stromregelkreises (32, 34) der feldorientierten Regelung (18) verbunden sind, dass die Recheneinrichtung (72) eingangsseitig mit Ausgängen einer Transformationseinrichtung (38) und ausgangsseitig mit Eingängen des Stromregelkreises (6) und mit einem Eingang der Umrecheneinrichtung (74) verknüpft ist, und dass die Umrecheneinrichtung (74) ausgangsseitig mit einem Eingang eines Phasenregelkreises (52) verbunden ist.
Contraption ( 42 ) to carry out the method according to claim 1 with a field-oriented control ( 18 ) a field-oriented induction machine ( 16 ), characterized in that a device ( 68 ) to generate a test room pointer (
Figure 00110001
), an adder ( 70 ), a computing device ( 72 ) and a conversion facility ( 74 ) it is provided that the two outputs of the device ( 68 ) each with an adder of the adder ( 70 ) are connected, the second inputs of which are each connected to an output of a current control loop ( 32 . 34 ) of the field-oriented regulation ( 18 ) that the computing device ( 72 ) on the input side with outputs of a transformation device ( 38 ) and on the output side with inputs of the current control loop ( 6 ) and with an input of the conversion device ( 74 ) is linked and that the conversion device ( 74 ) on the output side with an input of a phase locked loop ( 52 ) connected is.
Vorrichtung (42) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (42) ein Softwaremodul ist.Contraption ( 42 ) according to claim 7, characterized in that the device ( 42 ) is a software module. Vorrichtung (42) nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (42) in der feldorientierten Regelung (18) integriert ist.Contraption ( 42 ) according to claim 7 or 8, characterized in that the device ( 42 ) in the field-oriented regulation ( 18 ) is integrated. Vorrichtung (42) nach einen der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehfeldmaschine (16) mit einer von der Rotorlage (Θ) abhängigen wirksamen Induktivität eine permanenterregte Synchronmaschine ist.Contraption ( 42 ) according to one of claims 7 to 9, characterized in that the induction machine ( 16 ) with an effective inductance dependent on the rotor position (Θ) is a permanently excited synchronous machine. Vorrichtung (42) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die permanenterregte Synchronmaschine ein permanenterregter Servomotor ist.Contraption ( 42 ) according to claim 10, characterized in that the permanently excited synchronous machine is a permanently excited servo motor.
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