DE19612988A1

DE19612988A1 - Verfahren zur Bestimmung der Lage des Flußraumzeigers im ständerfesten Koordinatensystem für die Ermittlung der Schaltzustände eines Pulswechselrichters

Info

Publication number: DE19612988A1
Application number: DE19612988A
Authority: DE
Inventors: Wilfried Prof Dr Ing Hofmann; Michael Dr Ing Krause
Original assignee: ABB Daimler Benz Transportation Schweiz AG; ABB Daimler Benz Transportation Deutschland GmbH
Current assignee: Alstom Transportation Germany GmbH
Priority date: 1996-03-22
Filing date: 1996-03-22
Publication date: 1997-09-25

Description

Stand der Technik

In DE 42 25 397 wird ein Verfahren zur Selbstregelung einer umrichtergespeisten Drehstrommaschine vorgeschlagen, bei dem mit Mitteln der Fuzzy-Logik die Schalt zustände eines 6-Pulswechselrichters aus der Lage des Ständerflußraumzeigers für eine vorgegebene Pulsperiode und deren Einschaltzeiten bestimmt werden.

Das Ergebnis des dort beschriebenen Fuzzy-Reglers sind die linguistisch beschriebenen Spannungsvektoren mit ihren Einschaltzeiten. Die linguistische Beschreibung bezieht sich immer allgemein auf die Wirkung des jeweiligen Spannungsvektors auf den Stän derflußraumzeiger innerhalb eines von 6 60°-Sektoren im Ständerkoordinatensystem. Die eindeutige Zuordnung der linguistischen Aussage zu den konkreten Schaltzuständen des Wechselrichters erfordert, den aktuellen Sektor des Ständerflußraumzeigers im ständerfesten Koordinatensystem zu identifizieren. Mit Hilfe dieser Sektornummer kann mit einer Tabelle jedem Spannungsvektor ein Schaltzustand zugeordnet werden.

Die Einteilung in 6 Sektoren ergibt sich aus der Auswertung der Vorzeichen der dreiphasigen Komponenten des Flußraumzeigers. Die Zuordnung zu einem 60°-Sekto ren resultiert aus den möglichen Kombinationen der Vorzeichen.

Üblicherweise sind als Bahnform des Ständerflußraumzeigers 2 Varianten möglich. Zum einen wird eine kreisförmige Bahn des Ständerflußraumzeigers wegen der geringeren Oberschwingungen angewandt und zum anderen ist eine sechseckförmige Bahnform sinnvoll, wenn nur niedrige Schaltfrequenzen bei hohen Drehzahlen zulässig sind.

Die Sektorbestimmung für eine Kreisbahn basiert auf der Transformation der orthogo nalen Ständerflußkomponenten a, b, c mit

Die Drehung der Sektorlage um 30° für die Sechseckbahn gelingt mit der Auswertung der β-Flüsse nach Gleichung (2). Im Gegensatz zur üblichen Festlegung, bei der die α- Achse des orthogonalen Bezugssystems mit der a-Achse der dreiphasigen Komponenten gleich gerichtet ist (Fig. 1), werden die β-Flüsse auf die β-Achse bezogen (Fig. 2).

Fig. 3 zeigt als Tabelle die Zuordnung der Sektornummern zu den Vorzeichen der Flußkomponenten. Damit werden für Kreis- und Sechseckbahn die in Fig. 4 und Fig. 5 gezeigten Sektoren festgelegt. Diese Definition bildet die Grundlage für die Zuord nungstabellen der Schaltzustände.

Wie die Darstellungen der Fig. 4 und 5 verdeutlichen, werden kreis- und sechseckför mige Ständerflußtrajektorien durch eine Verschiebung der Sektorlage um 30° und aus einer darauf bezogenen Modifikation der Regeln erzeugt. Die Begründung ist in der unterschiedlichen Nutzung der Schaltmöglichkeiten des Wechselrichters zu suchen. Der für die Führung des Ständerflusses auf einer kreisförmigen Bahn erforderliche Spannungszeiger (Fig. 6) läßt sich mit den diskreten Schaltmöglichkeiten des Sechspuls wechselrichters nur durch eine Modulation von zwei Randvektoren und einem Null vektor erzeugen. Die in Fig. 4 festgelegte Sektorlage gestattet die entsprechende Aus wahl von Spannungsvektoren.

Dagegen kann der Zeiger auf den Kanten eines sechseckförmigen Umlaufs im einfach sten Fall mit nur einem Randvektor und einem Nullvektor (Fig. 7) geführt werden. So liegt es nahe, den Sektor so zu fixieren, daß er mit dem durch die Spannungsvektoren aufgespannten Dreieck übereinstimmt.

Diese relativ grobe Einteilung ist auch Basis anderer Verfahren zur Selbstregelung um richtergespeister Drehfeldmaschinen.

In DE-OS 34 38 504 /1/ werden für eine Sechseckbahn des Ständerflußraumzeigers die oben beschriebenen β-Flüsse Zweipunktgliedern zugeführt, deren Ausgangssignale den Schaltzustand des Wechselrichters ergeben. Die beschriebene Sektoridentifikation ist damit implizit enthalten.

In ′IEEE Trans.on Ind. Appl.′ (1986) pp. 820-827 /2/ wird eine schaltende Fluß- und Drehmomentenregelung beschrieben, bei der es möglich ist, den Ständerflußzeiger der Maschine auf einer Kreisbahn zu führen. Die Auswertung der angewandten Mehrpunkt glieder für die Bestimmung-der Schaltzustande liegt ebenfalls die oben beschriebene Sektoridentifikation zu Grunde.

In ′ETZ-Archiv′ (1989) H.1 S.11-16 /3/ wird ein Verfahren zur Führung des Ständer flusses auf einer Kreisbahn vorgeschlagen, welches die bestimmten Sollspannungen durch einen zwischengeschalteten Pulsbreitenmodulator erzeugt.

Den Verfahren liegen jedoch analoge Schaltglieder zu Grunde, die bei einer digitalen Realisierung eine sehr hohe Abtastrate erfordern, da die Schwellwerte nie zum erforderli chen Zeitpunkt abgefragt werden können.

Der Übergang zwischen 2 der oben definierten 6 Sektoren bringt aber bei Anwendung der oben beschriebenen groben Sektoreinteilung, u. U. durch die Veränderung der Spannungs zeigerdefinition, Probleme mit sich, die auf mögliche Fehlschaltungen zurückzuführen sind.

So verändern sich bei einer kreisförmigen Ständerflußbahn innerhalb eines Sektors die Wirkungen der tangentialen, momentbeeinflussende Komponente als auch der radialen, flußbetragsbeeinflussenden Komponente der Spannung als Gradienten des Ständer flußraumzeigers.

Bei einer Sechseckbahn dagegen wirkt der Spannungszeiger bzgl. der Bahn innerhalb eines Sektors immer gleich in radialer und tangentialer Richtung (linearer Bahnabschnitt). Jedoch ist in diesem Bereich der Wechsel auf den Bahnabschnitt des folgenden Sektors von Bedeutung. Die digitale Arbeitsweise des Reglers mit äquidistanten Abtastschritten verhindert im allgemeinen, daß Sektorwechsel und Abtastzeitpunkt zusammenfallen.

Der Pulsbreitenmodulator in /3/ vermeidet zwar dieses Problem, besitzt aber nur einen eingeschränkten Stellbereich.

Eine Lösungsmöglichkeit wird mit der Erweiterung eines allgemeineren Fuzzy-Reglers nach DE 42 25 395 durch eine unscharfe Sektoridentifikation (Bestimmung des Sektors des Ständerflußraumzeigers mit Mitteln der Fuzzy-Logik) vorgeschlagen (Fig. 8).

Dazu werden die Flußkomponenten a, b und c ebenfalls als linguistische Variablen dargestellt, die mit der für die zutreffende Bahnform gültigen Transformationsvorschrift bestimmt werden. Die anhand der Regeln aus Fig. 3 formulierten linguistische Aussagen führen zu Zugehörigkeitswerten für die einzelnen Sektoren. Der aktuelle Flußzeigersektor (max) kann festgelegt werden und mit einem aus den Regeln ermittelten Zugehörigkeits wert belegt werden. Entsprechend bestimmen die Regeln für die angrenzenden Sektoren die Zugehörigkeitswerte für den vorhergehenden (max-1) und den nachfolgenden (max+1) Sektor. Eine neue linguistische Variable (Kategorienklasse) entsteht, die die Lage im interessierenden Bereich eines Sektors beschreibt.

Kreisbahn

Die einführend genannte Veränderung der tangentialen und radialen Wirkungen der Spannungszeiger bzgl. einer Kreisbahn wird in Fig. 9 am Beispiel eines Sektorwechsels klar. Die für den aktuellen Sektor (mittlere Matrix Fig. 10) aufgestellten Regeln gelten genau nur für die Sektormitte. Deshalb liegt es nahe, für den Sektorübergangsbereich die Regeln zu modifizieren, um einen "weicheren" Sektorübergang zu realisieren.

Mit der unscharfen Sektoridentifikation (Fig. 8) wird die linguistische Variable mit den Zugehörigkeitswerten für den aktuellen, den nachfolgenden und den vorangehenden Sektor ermittelt. Um diese dritte linguistische Eingangsgröße (neben der Moment- und Flußregelabweichung), welche die Lage innerhalb eines Sektors beschreibt, wird die Regelmatrix erweitert. Die besondere Situation an den Sektorübergängen findet nun Berücksichtigung. Der aktuelle Sektor gilt allein nur in der Sektormitte. In den anderen Bereichen modifizieren zusätzliche Regeln das Regelverhalten. Die notwendige Er weiterung der Regeln berücksichtigt Fig. 10.

Sechseckbahn

Für diese Bahnform gelten vorstehende Aussagen aufgrund des Steuerprinzips nicht. Jedoch kann die unscharfe Sektoridentifikation dazu genutzt werden, um die durch die Abtastung bedingte Totzeit beim Sektorübergang zu kompensieren. Eine analoge Umset zung registriert einen Sektorwechsel immer zum entsprechenden Zeitpunkt, wogegen bei einer digitalen Lösung der Wechsel auch zwischen zwei Abtastpunkten stattfinden kann. Die daraus resultierende verspätete Erkennung kann zu unerwünschten Ausgleichvorgän gen führen.

Ein unscharfer Sektorübergang verhindert die verspätete Erkennung und prädiziert den Zeitpunkt des Sektorwechsels, indem der Übergangsbereich als Funktion der Ständer frequenz bestimmt wird (Fig. 11). Die dieses Gebiet charakterisierende Fläche muß somit von dem Bahnstück des Ständerflußraumzeigers Δ aufgespannt werden, welches er bei der aktuellen Ständerfrequenz innerhalb einer Abtastperiode durchlaufen kann.

Bei der Sechseckbahn werden also von der linguistischen Variablen "Sektorlage" (Fig. 8) nur die Zugehörigkeitswerte für den aktuellen und nachfolgenden Sektor benötigt. Die Kategorien der Variablen werden so positioniert, daß der Übergangsbereich eine Funktion der aktuellen Ständerfrequenz ist. Damit kann unter Berücksichtigung der Matrix für den nachfolgenden Sektor (in der Notation des aktuellen Sektors) in der Übergangsperiode gewährleistet werden, daß die Umschaltung auf die nächste Sechseckseite am Sektor übergang erfolgt (siehe Fig. 12).

Die Erfüllungsgrade der Regeln werden nun wie in DE 42 25 395 aus der Aggregation der linguistischen Variablen Betragsregelabweichung des Ständerflusses ΔΨ und der Re gelabweichung des Drehmoments Δm gebildet. Eine zusätzliche Aggregation erfolgt mit Fuzzy-Variablen Sektorlage. Ausgewählt werden nun die 2 aus den Regeln resultierenden Schlußfolgerungen mit den 2 höchsten Erfüllungsgraden h (2-Vektormethode). Die Einschaltzeiten t₁ und t₂ können dann bzgl. einer Schaltperiode T bestimmt werden:

t₂ = T-t₁ (4)

Ausgehend von der soeben erläuterten Defuzzyfizierung mit dem Ergebnis zweier Schaltzeiten, läßt sich das Modulationsregime auf 3 Vektoren erhöhen. In Analogie zur 2-Vektormethode können die Schaltzeiten der 3 Schaltzustände mit den höchsten Erfül lungsgraden ermittelt werden (3-Vektormethode). Der Vergleich für h₃ = 0 und n = 1 bestätigt die Analogie beider Beziehungen für die direkte Bestimmung der Schaltzeiten aus den Wahrheitswerten.

Die 3-Vektormethode ist vorrangig für die Kreisbahn anzuwenden, da die Modulation der Bahn aus 2 Randvektoren der Spannung und einem Nullvektor erfolgt. Außerdem können nur so die Vorteile der unscharfen Sektoridentifikation zum Tragen kommen (Berücksichtigung der Regeln der benachbarten Sektoren).

Dagegen ist die Anwendung der 2-Vektormethode für die Sechseckbahn im Normalfall vorteilhafter, da die Bann aus einem Randvektor und einem Nullvektor der Spannung gebildet wird. Jedoch muß für den unscharfen Sektorübergang gewährleistet sein, daß für diese Übergangsperiode (in der der Sektorwechsel erfolgt) von der 2-Vektormethode auf die 3-Vektormethode gewechselt wird, da für diesen Bereich der Nullvektor sowie zwei Randvektoren ("Fluß vorwärts konstant" (Randvektor) des aktuellen und des nachfolgenden Sektors) zu schalten sind. Mit den oben genannten Gleichungen der Defuzzyfizierung ist dies problemlos möglich.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren der unscharfen Sektoridentifikation ergeben sich die folgenden Vorteile:

1. Verhinderung von Fehlschaltungen in der Nähe des Sektorübergangsberei ches, die aus Veränderung der Wirkung der Spannungsvektoren auf den Ständer flußraumzeiger bei einer kreisförmigen Flußbahn resultieren.
2. Genaue Prädiktion des Zeitpunkts des Sektorwechsels bei einer Sechseckbahn des Ständerflußraumzeigers innerhalb eines Abtastschritts.
3. Längere Abtastzeiten der Regelung sind möglich, ohne störende Ausgleichs vorgänge.

Die im vorherigen Beschreibungstext aufgeführten Figuren zeigen im einzelnen:

Fig. 1 Transformation für eine Kreisbahn des Ständerflußraumzeigers,

Fig. 2 Transformation für eine Sechseckbahn des Ständerflußraumzeigers,

Fig. 3 Zuordnungstabelle der Sektornummern zu den dreiphasigen Flußkomponenten,

Fig. 4 Sektoreinteilung für eine Kreisbahn des Ständerflußraumzeigers,

Fig. 5 Sektoreinteilung für eine Sechseckbahn des Ständerfluß raumzeigers,

Fig. 6 Schaltmöglichkeiten eines 6-Pulswechselrichters innerhalb eines Sektors für eine Kreisbahn des Ständerflußraumzeigers,

Fig. 7 Schaltmöglichkeiten eines 6-Pulswechselrichters innerhalb eines Sektors für eine Sechseckbahn des Ständerflußraumzeigers,

Fig. 8 Unscharfe Sektoridentifikation,

Fig. 9 Sektorwechsel Kreisbahn,

Fig. 10 Erweiterung der Regelbasis bei einer Kreisbahn,

Fig. 11 Sektorwechsel Sechseckbahn,

Fig. 12 Erweiterung der Regelbasis bei einer Sechseckbahn.

Claims

1. Verfahren zur Bestimmung der Lage des Flußraumzeigers im ständerfesten Koordina tensystem für die Ermittlung der Schaltzustände eines Pulswechselrichters, bei dem aus den dreiphasigen Flußkomponenten eine linguistische Variable erzeugt wird, die die Lage des Ständerflußraumzeigers im ständerfesten Koordinatensystem im interessieren den Bereich eines 60°-Sektors der Koordinatenebene beschreibt, gekennzeichnet dadurch, daß ausgehend von den dreiphasigen Komponenten des Ständerflusses mit Mitteln der Fuzzy-Logik eine Kategorienklasse zur Beschreibung der Lage des Raum zeigers im Sektor erzeugt wird, die die in ein Regelwerk eines Fuzzy-Regler als dritte Eingangsgröße neben der Fluß- und Momentenabweichung eingeführt wird und damit die Stellsignale eines Pulswechselrichters und deren Schaltzeiten für eine feste Schalt periode erzeugen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dreiphasigen Kompo nenten des Ständerflusses eingangsseitig jeweils in 2 Kategorien (positiv und negativ) eingeteilt werden, wobei jeder Kategorie eine lineare Zugehörigkeitsfunktion zugeordnet wird, die entweder den höchsten Wahrheitsgehalt 1 besitzt oder symmetrisch linear zur anderen Kategorie auf den Wahrheitsgehalt 0 abfällt und daß eine Fuzzy-Logik die Verknüpfung der 3 eingangsseitigen Kategorieklassen durch die mathematische und logische Verrechnung von deren Zugehörigkeitsfunktionen so vornimmt, daß eine neue Kategorieklasse entsteht, die die Lage des Ständerflußraumzeigers allgemein in einem der 6 60°-Sektoren des Ständerkoordinatensystems beschreibt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die eingangsseitigen Kategoriegrenzen so gewählt werden, daß sie der auf den Flußsollwert normierten Strecke entsprechen und die durch Überlappungen von Zugehörigkeitsfunktionen festgelegten Abschnitte die interessierenden Sektorübergangsbereiche charakterisieren.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß für eine kreisförmige Bahn des Ständerflußraumzeigers die ausgangsseitige Kategorieklasse in 3 Kategorien (aktueller Sektor, vorrangehender Sektor, nachfolgender Sektor) mit linearen Zu gehörigkeitsfunktionen eingeteilt wird, wobei die Kategorien symmetrisch zur Sektor mitte (Kategorie aktueller Sektor) angeordnet sind und jeweils Werte zwischen dem maximalen Wahrheitsgehalt 1 und dem minimalen Wahrheitsgehalt 0 annehmen kön nen.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß für eine sechs eckförmige Bahn des Ständerflußraumzeigers die ausgangsseitige Kategorieklasse in 2 Kategorien (aktueller Sektor, nachfolgender Sektor) mit linearen Zugehörigkeitsfunktio nen eingeteilt wird, die sich von der in Drehrichtung folgenden Sektorgrenze aus gesehen in einem Bereich überlappen, der dem Winkel entspricht, welches des Ständer flußraumzeigers in der Abtastzeit bei der aktuellen Ständerfrequenz (ω_s T) überstreichen kann und in dem die Summe der Zugehörigkeitswerte beider Kategorien immer den Maximalwert 1 ergibt.

6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die resultierende Kategorieklasse das Regelwerk eines Fuzzy-Reglers erweitert, so daß in den Bereichen der Sektorgrenzen die Regelmatrix für den angrenzenden Sektor in der Notation des aktuellen Sektors berücksichtigt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß für eine kreisförmige Flußbahn aus den finalen Erfüllungsgraden die mit den 3 höchsten Werten belegten Spannungsvektoren ausgewählt werden und durch deren gegenseitige Wichtung die zugehörigen Schaltzeiten bestimmt werden.

8. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß für eine sechs eckförmige Flußbahn nur für den Abtastschritt des Sektorwechsels zwingend aus den finalen Erfüllungsgraden die mit den 3 höchsten Werten belegten Spannungsvektoren ausgewählt werden und durch deren gegenseitige Wichtung die zugehörigen Schaltzeiten bestimmt werden.

9. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Sechs eckbahn des Ständerflußraumzeigers der Wechsel in den folgenden Sektor bei einer digitalen Arbeitsweise des Reglers mit äquidistanten Abtastzeitpunkten vorausberechnet wird, indem für den Abtastschritt des Sektorübergangs die zu schaltenden Spannungs vektoren für den aktuellen und nachfolgenden Sektor entsprechend der Lage des Stän derflußraumzeigers im Übergangsbereich bestimmt werden.