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
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Abstract
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.
- 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
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.
Gemäß der Struktur der bekannten
Servoregelung besteht diese aus einem Lageregelkreis
Der Lageregelkreis
Der Stromregelkreis
Damit der generierte Spannungs-Sollraumzeiger
u * / d und u * / q mittels des Leistungsteils
Die
Diese Vorrichtung
Das EMK-Modell
Der ermittelte Raumzeiger , der im kartesischen
Koordinaten vorliegt, wird mittels eines Koordinatenwandlers
Diese bekannte Vorrichtung
Um die Rotorlage Θ einer
Drehfeldmaschine
mehr aufweist. Dieser testsignalbedingte Stromwechselanteil
AW hängt
nur noch vom Testsignal und der Rotorlage T der Drehfeldmaschine
Die Recheneinrichtung
In der
Beim Betrieb ohne mechanischen Sensor
ist die wahre Rotorlage T nicht bekannt, daher arbeitet die Lageerkennung
mit einem umlaufenden x, y-Koordinatensystem. In der
In der
Die Spannungskomponente u * / d bzw. u * / q ist
die vom Stromregler
Der Signalverlauf uW ist
die Spannung, die durch Addition von u * / d bzw. u * / q und uT entsteht.
Diese Spannung wird dem Pulsbreitenmodulator
Die Trapeze unten im Diagramm der
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.
- - 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:
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
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
Mit dem zur Pulsweitenmodulation synchronen feldorientierten Testraumzeiger 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
- - high usable bandwidth
- - low noise
- - use of standard pulse generation and a standard current regulator,
- - Complete decoupling of current regulator and test signal
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