Kompensierte feldorientierte Regelung (KFO)Compensated field-oriented regulation (KFO)
Die Erfindung betrifft eine Regelung (Verfahren und Schaltung/Vorrichtung) in Feldkoordinaten für Drehfeldmaschinen, insbesondere für Drehstrom- Asynchronmotoren (DAM) oder Drehstrom-Synchronmotoren (DSM).The invention relates to a control (method and circuit / device) in field coordinates for three-phase machines, in particular for three-phase asynchronous motors (DAM) or three-phase synchronous motors (DSM).
Geregelte elektrische Drehfeldmaschinen (also Synchron- und Asynchronmaschinen) werden in vielen Antriebsaufgaben eingesetzt. Bisher werden diese Maschinen mit Frequenzumrichtern mit Kennliniensteuerung, sofern die dynamischen Anforderungen gering sind, oder mit feldorientierten Regelungen und an den Motor angebautenRegulated electrical induction machines (i.e. synchronous and asynchronous machines) are used in many drive tasks. So far, these machines have been fitted with frequency inverters with characteristic control, provided the dynamic requirements are low, or with field-oriented controls and attached to the motor
Drehgebern oder Resolvern betrieben, wenn die Anforderungen an die Dynamik hoch sind. Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des Transformationswinkels p (rho) einer feldorientiert betriebenen Drehfeldmaschine aus an den Anschlüssen der Maschine meßbaren Größen. Hierdurch kann der Drehgeber auch in hochdynamischen Systemen eingespart werden und die Dynamik gegenüber bisher bekannten Verfahren zur sensorlosen Regelung (ohne Drehgeber oder Resolver) verbessert werden. Gegenüber bekannten statorflußorientierten Verfahren ist ein Betrieb bis einschließlich Stillstand der Maschine möglich, ohne daß Singularitätsprobleme, wie sie bisher bekannt sind, auftreten. Das Verfahren hat große wirtschaftliche Bedeutung, weil es eine Ausweitungsmöglichkeit der Feldorientierung auf Antriebe ohne Sensoren bietet. Drehgeber stellen heute in vielen Antrieben einen sehr hohen Anteil der Kosten des Gesamtsystems dar. Gleichwohl können die erfindungsgemäßen Vorschläge auch bei bisher bekannter Feldorientierung von DSM und DAM verwendet werden.Encoders or resolvers operated when the demands on the dynamics are high. The invention relates to a method for determining the transformation angle p (rho) of a field-oriented induction machine from quantities measurable at the connections of the machine. As a result, the encoder can also be saved in highly dynamic systems and the dynamics can be improved compared to previously known methods for sensorless control (without encoder or resolver). Compared to known stator flow-oriented methods, operation up to and including standstill of the machine is possible without singularity problems, as are known hitherto. The process is of great economic importance because it offers the possibility of expanding the field orientation to drives without sensors. In many drives, encoders today represent a very high proportion of the costs of the overall system. Nevertheless, the proposals according to the invention can also be used in the case of previously known field orientation of DSM and DAM.
Die feldorientierte Regelung (vgl. z.B. Blaschke [1], Leonhard [2]; nähere Fundstelle ist am Ende der Beschreibung) der Drehfeldmaschine hat sich im Stand der Technik als überlegenes Regelverfahren für Drehfeldmaschinen erwiesen. Durch Transformation der Statorgrößen Strom und Spannung in ein mit dem Rotorflußzeiger (kurz: fr) umlaufendes Koordinatensystem ergibt sich eine entkoppelte Blockschaltbild-Struktur der Drehfeldmaschine, die der einer kompensierten Gleichstrommaschine entspricht. Die bekannten Regelverfahren für derartige Maschinen mit z.B. Kaskadenreglung für Strom, Drehzahl und Fluß können damit auf die Drehfeldmaschine übertragen werden.
Die Mehrzahl aller hochdynamisch betriebenen Drehfeldmaschinen wird heute nach dem Verfahren der Feldorientierung - häufig auch mit „Vector Control" bezeichnet - betrieben.The field-oriented control (see, for example, Blaschke [1], Leonhard [2]; more detailed information is at the end of the description) of the induction machine has proven to be a superior control method for induction machines in the prior art. By transforming the current and voltage stator variables into a coordinate system rotating with the rotor flux pointer (short: f r ), a decoupled block diagram structure of the induction machine results, which corresponds to that of a compensated DC machine. The known control methods for such machines with, for example, cascade control for current, speed and flux can thus be transferred to the induction machine. The majority of all highly dynamically operated induction machines are operated according to the field orientation method - often also referred to as "vector control".
Das Grundproblem der Feldorientierung ist die Bestimmung des Raumzeigers des Flusses in der Maschine. In der Anfangszeit der Feldorientierung ist mit geringem wirtschaftlichen und technischen Erfolg versucht worden, den Fluß in der Maschine direkt, z.B. mittels Halbleitersensoren, zu messen. Mit dem Aufkommen leistungsfähiger Microcontroller und Signalprozessoren wurde es möglich, die analog nur schwer lösbare Aufgabe der Koordinatentransformation und die stark nichtlinearen Flussmodelle auf Basis der Rotorgleichung digital in Echtzeit zu lösen (vgl. z.B. Gabriel, Leonhard, Nordby, Schumacher in [3], [4], [5]). Mit dem Siegeszug der digitalen Signalverarbeitung begann auch der wirtschaftliche Erfolg der Feldorientierung als prinzipiell überlegenes Verfahren.The basic problem of field orientation is the determination of the spatial pointer of the river in the machine. In the early days of field orientation, attempts were made with little economic and technical success to direct the flow in the machine, e.g. using semiconductor sensors. With the advent of high-performance microcontrollers and signal processors, it became possible to solve the coordinate transformation task and the highly nonlinear flow models based on the rotor equation digitally in real time, which is difficult to solve analogously (see e.g. Gabriel, Leonhard, Nordby, Schumacher in [3], [ 4], [5]). With the triumph of digital signal processing, the economic success of field orientation also began as a principally superior process.
Schon frühzeitig hat man versucht, die Statordifferentialgleichung zur Bestimmung des Flußzeigers zu benutzen. Die offene Integration, die hier angewendet wird, hat eine Nutzung in und nahe dem Stillstand aber verhindert, weil Parameterfehler bei der Bestimmung von Statorwiderstand Rs und Streuinduktivität Ls sowie insbesondere die bei der Messung auftretenden Offsets in den Komponenten von Strom und Spannung zu einer unvorhersehbaren Drift der berechneten Komponenten des Flusses in der Maschine führen. Man hat daher angenommen, daß der Fluss an dieser singulären Stelle nahe dem Stillstand nicht mehr beobachtbar ist.Early attempts were made to use the stator differential equation to determine the flux pointer. The open integration that is used here, however, prevented use in and near standstill, because parameter errors in the determination of stator resistance R s and leakage inductance L s, and in particular the offsets in the components of current and voltage occurring during the measurement, lead to one lead to unpredictable drift of the calculated components of the flow in the machine. It has therefore been assumed that the flow can no longer be observed at this singular point near the standstill.
Das als „natürliche Feldorientierung" (NFO) bezeichnete Verfahren (vgl. Jönsson [6], [7]) kann ohne Sensor arbeiten, erzeugt aber keine Feldorientierung und damit vollständige Entkopplung der Struktur, was an der Vernachlässigung des wesentlichsten Einflußfaktors zur Bestimmung des Winkels p (rho) des Flusses liegt. Die „natürliche Feldorientierung" stellt damit nur die Transformation eines Kennlinienverfahrens dar. Eine sich nachführende Feldorientierung wird nicht erreicht.
Die Problemstellung der Erfindung liegt darin, ein Regelverfahren vorzuschlagen, das Drehstrommaschinen auch im Stillstandsbereich ohne Drehgeber oder Winkelgeber („Sensoren") sicher beherrscht. Erfindungsgemäß wird die Feldorientierung dadurch erreicht, daß der Querfluß der Maschine auf Null geregelt wird. Nur wenn der Querfluß Null ist, stellt sich die kompensierte Feldorientierung (KFO) ein (Anspruch 1 , Anspruch 13). Dieses Verfahren zur Flußwinkelbestimmung (rho bzw. p) löst das vorgenannte Problem ohne eine prinzipbedingte Singularität und eignet sich für den feldorientierten Betrieb von Stillstand bis in die Feldschwächung ohne Stützung durch einen Drehgeber.The method called "natural field orientation" (NFO) (cf. Jönsson [6], [7]) can work without a sensor, but does not generate a field orientation and thus completely decouples the structure, which neglects the most important influencing factor for determining the angle p (rho) of the river. The "natural field orientation" thus only represents the transformation of a characteristic curve method. A subsequent field orientation is not achieved. The problem of the invention is to propose a control method that can safely control three-phase machines even in the standstill range without rotary encoders or angle encoders (“sensors”). According to the invention, the field orientation is achieved by regulating the cross flow of the machine to zero is the compensated field orientation (KFO) (claim 1, claim 13.) This method for determining the flow angle (rho or p) solves the aforementioned problem without a principle-related singularity and is suitable for field-oriented operation from standstill to field weakening without support from an encoder.
Erfahrungen, besonders bei der sensorlosen feldorientierten Regelung von Drehstrommotoren, haben gezeigt, daß ein Regelungsverfahren laut dem Stand der Technik (vgl. Seite 14 in [11], [12] oder [13]) dazu führt, daß in bestimmten Arbeitsbereichen ungenügende Ergebnisse erzielt wurden. Ursache dafür ist, daß durch kumulierte Fehler, verursacht durch Parameterfehler, Messfehler der Signale, Rechenfehler usw., eine kleine, aber nicht vernachlässigbare Fehlorientierung entsteht. Ein dadurch verursachter Querfluß in der Maschine verschlechtert die dynamischen Eigenschaften und führt zu Instabilität, die bisher die Hauptbehinderung im Einsatz von sensorlosen Vektorverfahren ist, da die Vernachlässigung dieser Querkomponente eine fehlende Information über den Systemzustand ist. Die Erfindung beruht auf dem Gedanken, daß eine wirkliche Regelung dieser Querkomponente frq auf Null - statt deren Vernachlässigung - erfolgt (Anspruch 1 , Anspruch 13).Experience, especially with sensorless field-oriented control of three-phase motors, has shown that a control method according to the state of the art (see page 14 in [11], [12] or [13]) leads to insufficient results being achieved in certain work areas were. The reason for this is that accumulated errors, caused by parameter errors, measurement errors of the signals, calculation errors, etc., result in a small but not negligible misorientation. A resulting cross flow in the machine deteriorates the dynamic properties and leads to instability, which has been the main hindrance in the use of sensorless vector methods, since the neglect of this cross component is a lack of information about the system state. The invention is based on the idea that this transverse component f rq is actually regulated to zero - instead of being neglected (claim 1, claim 13).
In einem rotierendem Koordinatensystem mit der Drehgeschwindigkeit ωmr läßt sich f„, aus der Statorgleichung 1 und der Rotorgleichung 2 bestimmen.In a rotating coordinate system with the rotational speed ω mr , f 1 can be determined from the stator equation 1 and the rotor equation 2.
Für die Statorgleichung der Drehfeldmaschine gilt:The following applies to the stator equation of the induction machine:
, . „ . di. .. . ., dt,. ". di. ... ., German
1. us = ιsRs +Ls --± + jιsLsωmr +jfrωmr + -£ υs - Statorspannungszeiger /s - Statorstromzeiger1. u s = ι s R s + L s - ± + jι s L s ω mr + jf r ω mr + - £ υ s - stator voltage vector / s - stator current vector
R. - Statorwiderstand
- StreuinduktivitätR. - stator resistance - leakage inductance
Drehgeschwindigkeit des Rotorflußzeigers fr des Motormodells dp dt fr - Rotorflußzeiger j + VM , imaginäre EinheitRotation speed of the rotor flux pointer fr of the motor model dp dt f r - rotor flux pointer j + VM, imaginary unit
Für die Rotorgleichung der Drehfeldmaschine gilt:The following applies to the rotor equation of the induction machine:
HfHf
2- 0 = -^- + ir RR +jfr ωr 2- 0 = - ^ - + i r R R + jf r ω r
RR - Rotorwiderstand ιr - Rotorstromzeiger ωr - Rotordrehgeschwindigkeit gegenüber dem Flußzeiger ω - ωmr - ωr Drehgeschwindigkeit der WelleR R - rotor resistance ι r - rotor current vector ω r - rotor rotational speed compared to the flux vector ω - ω mr - ω r rotational speed of the shaft
Die Synchronmaschine DSM kann als Sonderform der allgemeinen Drehfeldmaschine mit RR=0 und vorhandenem Fluß fr angesehen werden. Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich demnach auch bei synchron- und permanenterregten Drehfeldmaschinen anwenden.The synchronous machine DSM can be regarded as a special form of the general three-phase machine with R R = 0 and existing flux f r . The method according to the invention can therefore also be applied to synchronous and permanently excited induction machines.
Die Statorgleichung 1 besteht aus zwei Komponentengleichungen:Stator equation 1 consists of two component equations:
Hi Hf 3. ud = id Rs +Ls -^- - iqLsωmr -fπ,ωmr +-^-Hi Hf 3. u d = i d R s + L s - ^ - - i q L s ω mr -f π , ω mr + - ^ -
Λ dia dfm Λ di a df m
4. uq = ιq Rs +Ls -^- + idLsωmr +frdωmr +-^- wobei die Indizes d und q die direkte und orthogonale Achse des mit fr umlaufenden Koordinationssystems bezeichnen und ud und uq die d- bzw. q-Komponenten des Spannungszeigers us, id und iq die d- bzw. q-Komponenten des Stromzeigers is, f^ und frq die d- bzw. q-Komponenten des Rotorflußzeigers fr sind, wobei fr(Jder Hauptfluß und f„, der Querfluß ist.
Die Spannungskomponenten ud und uq der Maschine setzen sich aus den Spannungsabfällen und den durch Strom- bzw. Flußänderungen verursachten Spannungen sowie aus der durch die beiden Flußkomponenten frd und frq induzierten Spannungen zusammen. Die beiden induzierten Spannungen sind definiert durch die Gleichungen4. u q = ι q R s + L s - ^ - + i d L s ω mr + f rd ω mr + - ^ - where the indices d and q denote the direct and orthogonal axis of the coordination system rotating with f r and u d and u q the d and q components of the voltage vector u s , i d and i q the d and q components of the current vector i s , f ^ and f rq the d and q components of the Are rotor flux pointers f r , where f r (J is the main flow and f "is the cross flow. The voltage components u d and u q of the machine are composed of the voltage drops and the voltages caused by changes in current or flow, and the voltages induced by the two flow components f rd and f rq . The two induced voltages are defined by the equations
U = f r , * CO , df"> iq J ra mr H i.U = fr, * CO, d f "> iq J ra mr H i.
Aus den Gleichungen 3 bis 6 ergeben sich die Ausdrücke für die aus den Satorgleichungen berechneten induzierten Spannungen.The expressions for the induced voltages calculated from the Sator equations result from equations 3 to 6.
di 8. uιq = uq - iq Rs - Ls -^- - id L, ωmr di 8. u ιq = u q - i q R s - L s - ^ - - i d L, ω mr
Die Gleichungen 7 und 8 der induzierten Spannungen zeigen, daß diese sich bekannterweise aus den Spannungen an den Klemmen der Maschine und Abzug der durch die Widerstände und induktiven Spannungsabfälle an den Streuinduktivitäten sowie den durch die Flußänderung verursachten Spannungsabfällen berechnen lassen. Die Berechnung der Gleichungen im Stator oder in rotierenden d-q Systemen lassen sich heute in Echtzeit mit schnellen Mikroprozessoren und Signalprozessoren durchführen. uιq kann sowohl in einem mit fr umlaufenden Koordinatensystem als auch im Statorsystem mit anschießender Transformation in ein d-q Koordinatensystem berechnet werden (Jönsson, Leonhard [8]). Im feldorientierten Zustand muß frq definitionsgemäß Null sein.Equations 7 and 8 of the induced voltages show that, as is known, these can be calculated from the voltages at the terminals of the machine and the deduction of the stray inductances caused by the resistances and inductive voltage drops and the voltage drops caused by the change in flow. The equations in the stator or in rotating dq systems can now be calculated in real time using fast microprocessors and signal processors. u ιq can be calculated in a coordinate system with f r as well as in the stator system with subsequent transformation into a dq coordinate system (Jönsson, Leonhard [8]). In the field-oriented state, f r q must be zero by definition.
9. /^ = 09. / ^ = 0
Man bekommt also 10. u,q = /„, • ωmr
11. df, rdSo you get 10. u, q = / „, • ω mr 11. df, approx
Λ,d dt Λ , d dt
Die beiden Gleichungen 10 und 11 werden für die Bestimmung der Feldorientierung benutzt. Aus Gleichung 10 bekommt man den Schätzwert für ωmr wie folgt:The two equations 10 and 11 are used to determine the field orientation. The equation 10 gives the estimated value for ω m r as follows:
Aus Gleichung 11 läßt sich das Signal Ujd err für die Fehlerspannung der induzierten Längsspannung Ujrj berechnen, welche ein Maß für die Orientierungsgüte darstellt:The signal Ujd err for the error voltage of the induced longitudinal voltage Ujrj can be calculated from equation 11, which represents a measure of the quality of orientation:
13. uid_err = u* -^jf13. u id _err = u * - ^ jf
Dieses Signal stellt ein Maß der die Kompensationsgüte dar. Im Fall der kompensierten Feldorientierung ist das Signal ujrj err = 0, ansonsten ergibt sich ausThis signal represents a measure of the compensation quality. In the case of the compensated field orientation, the signal ujrj err = 0, otherwise it results from
Gleichung 5 ein Orientierungsfehler.Equation 5 an orientation error.
14. Uj^err = - f rq ' ω mr 14. Uj ^ err = - f rq 'ω mr
Daraus läßt sich ein für den Orientierungsfehler charakteristischer Querfluß frq berechnen, gemäß der Gleichung 15.A transverse flux f r q characteristic of the orientation error can be calculated from this, in accordance with equation 15.
15. frq = - ^^ mr15. f rq = - ^^ mr
Unter Verwendung der Gleichung 12 wird dieser charakteristische Querfluß beschrieben als Gleichung 16.Using equation 12, this characteristic cross flow is described as equation 16.
16. frq = - V^/„,
Die Bedeutung von Gleichung 16 wurde für die Korrektur der Schlupffrequenz ωr erkannt (vgl. z.B. Rapp [9], [10]]). Dies ist eine indirekte Methode mit der sich die Fehler in der Schlupffrequenz und bei der Identifikation von RR reduzieren lassen. Für sensorlose Regelungen eignet sich das Verfahren nicht, weil die Transformation mit p nicht mit einem korrigierten Wert erfolgt.16. f rq = - V ^ / ", The meaning of equation 16 was recognized for the correction of the slip frequency ω r (see, for example, Rapp [9], [10]]). This is an indirect method with which the errors in the slip frequency and in the identification of R R can be reduced. The method is not suitable for sensorless controls because the transformation with p does not take place with a corrected value.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird die Drehgeschwindigkeit ωmr direkt bestimmt. Dies erfolgt durch Regelung des Querflusses frq zu Null. Dabei wird frq aus uld, u,q und frd entsprechend der Gleichung 16 bestimmt. Erreicht wird dies z.B. dadurch, daß eine frq proportionale Größe aus uld, u,q und frd berechnet wird.The rotational speed ω mr is determined directly by the method according to the invention. This is done by regulating the cross flow f rq to zero. Here, f rq is determined from u ld , u, q and f rd in accordance with equation 16. This is achieved, for example, by calculating a quantity proportional to rq from u ld , u, q and f rd .
Die Erfindung läßt sich speziell anhand Gleichung 16 erläutern. Soll der Querfluß frq auf Null geregelt werden - nur dann ist die Feldorientierung wirklich gegeben - so kann frq aus u,d und uιq berechnet werden. Von frd weiß man, daß es positiv und auf einen durch den Feldgeber vorgegebenen Wert, der für die Magnetisierung erforderiich ist, geregelt werden soll. Ein fehlerhaft berechnetes frd ist also kein prinzipielles Hindernis für die Regelung von frq auf Null. Die Erfindung macht es möglich, auch bei relativ schlecht adaptierten Flußmodellen einen feldorientierten Betrieb zu ermöglichen.The invention can be explained specifically using equation 16. If the cross flow f rq is to be regulated to zero - only then is the field orientation really given - then f rq can be calculated from u, d and u ιq . It is known from f rd that it should be controlled positively and to a value specified by the field transmitter, which is necessary for the magnetization. An incorrectly calculated f rd is therefore not a fundamental obstacle to regulating f rq to zero. The invention makes it possible to enable field-oriented operation even with relatively poorly adapted flow models.
Die kompensierte Regelung ist kein „Beobachter" und hat keine Beobachter- Rückführungen. KFO arbeitet kontinuierlich, ohne Umschalten oder Ändern von Regelkreisstrukturen. KFO arbeitet dabei mit einer d-/q-Komponentenstruktur, die am nächsten an der Fluß/Momentenstruktur einer Drehfeldmaschine liegt. Fehler im Querfluß werden bei KFO bereits an der Wurzel ausgeregelt, namentlich vor derThe compensated control is not an "observer" and has no observer feedback. KFO works continuously without switching or changing control loop structures. KFO works with a d / q component structure that is closest to the flux / torque structure of a three-phase machine. In orthodontic errors, orthodontics are corrected at the root, especially before the
Bildung des Rho-Transformationswinkels, der Dreh- und Angelpunkt der Feldorientierung ist. Seine Genauigkeit - auf Dauer und bei kritischen Betriebspunkten, wie Stillstand und starker Feldschwächung - ist Garant für eine genaue Feldorientierung (Rho-Orientierung), so daß sensorloser Betrieb auch mit Drehfeldmaschinen möglich wird.
Die Realisierung, frq in einem Statormodell der Feldorientierung zu Null zu regeln bzw. um Null herum zu halten (bei kurzzeitig erlaubten Auslenkungen, aber dauernder auf Ausregelung der Auslenkung bedachtem Regelverhalten), um die kompensierte Feldorientierung zu erreichen, ist schematisch in Bild 1 und 5 dargestellt, als Ausführungsbeispiele.Formation of the Rho transformation angle, which is the linchpin of the field orientation. Its accuracy - in the long term and at critical operating points, such as standstill and strong field weakening - guarantees an exact field orientation (Rho orientation), so that sensorless operation is also possible with induction machines. The implementation of regulating f rq in a stator model of the field orientation to zero or keeping it around zero (in the case of briefly permitted deflections but continuous control behavior aimed at regulating the deflection) in order to achieve the compensated field orientation is shown schematically in Figures 1 and 5, as exemplary embodiments.
Ein Funktionsvergleich mit NFO (vgl. [7], [8] gemäss Seite 14) ergibt sich an Bildern 6a, 6b, in denen jeweils ein Hochlauf eines Asynchron-Servomotors mit 1 ,5kW Nennleistung bei einer Nennfrequenz von 50Hz und einem Nennmoment von 5Nm gezeigt werden, einmal für die KFO und einmal für die NFO.
A function comparison with NFO (cf. [7], [8] according to page 14) is shown in Figures 6a, 6b, in each of which an asynchronous servo motor starts up with a 1.5kW nominal power at a nominal frequency of 50Hz and a nominal torque of 5Nm be shown, once for the KFO and once for the NFO.
Beispiele erläutern unter Bezugnahme auf Bilder (=Figuren) die Erfindung.Examples explain the invention with reference to pictures (= figures).
Bild 1 ist ein schematisches Modell der Querflußregelung. Da der Regler 20 den Querfluß frq auf Null regeln soll, eignet sich auch ein stark vereinfachter Sliding Mode Regler, der nur die Vorzeichen von uld err und uιq berücksichtigt. Hiermit entfällt die für die praktische Realisierung in Rechenwerken komplizierte und zudem bei uιq=>0 singuläre Lösung der Division. Der Regler sollte eine hohe Dynamik haben, da p aus der Integration 40 von ωmr hervorgeht und ein Schleppfehler zu großen Winkelabweichungen und damit sogar zum Kippen der Maschine führen kann. Schleppfehler lassen sich durch Vorsteuerungen oder schnelle Regler vermeiden.Figure 1 is a schematic model of cross flow control. Since the controller 20 is intended to regulate the cross-flow f rq to zero, a greatly simplified sliding mode controller is also suitable, which only takes into account the signs of u ld err and u ιq . This eliminates the division's solution, which is complicated for practical implementation in arithmetic units and also unique at u ιq => 0. The controller should have a high dynamic, since p results from the integration 40 of ω mr and a following error can lead to large angular deviations and thus even to the machine tipping. Lag errors can be avoided by means of pilot controls or fast controllers.
Bild 1a veranschaulicht die Berechnung des Fehlers uld err, aus dem sich der Querfluß ergibt, der in Bild 2 und 3 zu Null (um Null herum) geregelt wird.Figure 1a illustrates the calculation of the error u ld err , from which the cross-flow results, which is regulated to zero (around zero) in Figures 2 and 3.
Bild 2 zeigt eine Schaltung zur Kompensation des Querflusses. Der Regler 30 ist vorzugsweise ein Proportionalregler, der im einfachsten Fall auch die Verstärkung Kp=1 haben kann. Die integrierende Regelstrecke 40 sorgt dafür, daß sich auch mit einem Proportionalregler keine bleibenden Regelabweichungen ergeben.Figure 2 shows a circuit for compensation of the cross flow. The controller 30 is preferably a proportional controller, which in the simplest case can also have the gain Kp = 1. The integrating controlled system 40 ensures that there are no permanent control deviations even with a proportional controller.
Bild 3 ist eine weitere Variante der Bestimmung des Flußvektor-Winkels p (rho). DerFigure 3 is another variant of the determination of the flux vector angle p (rho). The
Vorteil dieser Lösung ist neben der nahezu gleichwertig einfachen Realisierung gemäß Bild 2, daß Fehler in p mit geringerer Eingriffgröße und somit sanfterAnother advantage of this solution, in addition to the almost equally simple implementation according to Figure 2, is that errors in p have a smaller intervention size and are therefore gentler
ausgeregelt werden. Das Signal — — stellt hier als NFO eine Vorsteuerung ωNF0 desbe settled. The signal - - here represents a pilot control ω NF0 of the NFO
J rdJ rd
Reglers dar. Der Regler 20 muß nur noch (ergänzend) über ωsκ eingreifen, wenn das Modell der Maschine nicht mit der Realität übereinstimmt. Insbesondere bei überlagerter Drehzahlregelung mit einem SchlupfmodellThe controller 20 only has to intervene (in addition) via ω sκ if the model of the machine does not match reality. Especially with a superimposed speed control with a slip model
/ R ω = ωmr - cor und ωr = — — - ist es hilfreich, nicht zu große Eingriffe des f^-/ R ω = ω mr - co r and ω r = - - - it is helpful not to interfere too much with the f ^ -
J rdJ rd
Reglers 20 zu haben.
Bild 4 entspricht mit seiner kompensierenden Schaltung der Schaltung von Bild 3, nur ist der Komparator 10 als komparatorähnlicher Funktionsblock 1 1 gestaltet, mit einer großen, aber endlichen Steigung um den Nullpunkt herum.Controller 20 to have. Figure 4 corresponds with its compensating circuit to the circuit of Figure 3, only the comparator 10 is designed as a comparator-like function block 11 with a large but finite slope around the zero point.
Bild 5 ist eine Übersicht über die maßgeblichen Komponten einer Feldorientierung mit Drehfeldmaschine DAM und Wechselrichter PWM. Die Schaltung aus Bild 4 ist in Bild 5 mit XR gekennzeichnet.Figure 5 is an overview of the relevant components of a field orientation with DAM induction machine and PWM inverter. The circuit from Figure 4 is marked with XR in Figure 5.
Bild 6a, 6b sind Vergleichsplots von KFO mit NFO, bei einem simulierten Hochlauf.Figures 6a, 6b are comparison plots of orthodontics with NFO, with a simulated startup.
In einem frq Modell 9 wird in Bild 1 ein wenigstens dem Vorzeichen von fr- proportionales Modell von frq = f(uld, uιqι) gebildet. Ein geeigneter nachfolgender Regler 20 oder 30 kann dann frq auf Null regeln. Die Sollgröße des Reglers ist Null, also muß frq * - (das wenigstens vorzeichenrichtige frq) invertiert (addiert) werden. ωmr ist also nicht aus uιq/frd oder noch schlechter aus der als konstant angenommenenIn an f rq model 9, an at least the sign of f r - proportional model of f rq = f (u ld , u ιqι ) is formed in Figure 1. A suitable subsequent controller 20 or 30 can then regulate f rq to zero. The setpoint size of the controller is zero, so f rq * - (the at least correct sign f rq ) must be inverted (added). ω mr is therefore not from u ιq / f rd or worse from that assumed to be constant
Hauptfeldinduktivität zu berechnen. Jeder Fehler wird durch die nachfolgende Integration von ωmr zur Bestimmung von p kumuliert und führt daher zu einem nicht feldorientierten System. Auch das Regeln von uld auf Null wäre eine nicht ausreichende Beschreibung, da frq durch das Verhältnis uld zu uιq im wesentlichen bestimmt wird.To calculate main field inductance. Each error is accumulated by the subsequent integration of ω mr to determine p and therefore leads to a non-field-oriented system. Controlling u ld to zero would also be an insufficient description, since f rq is essentially determined by the ratio u ld to u ιq .
Es ist möglich in den Regler 20 oder 30 die Integration für ωmr zu integrieren.It is possible to integrate the integration for ω mr in the controller 20 or 30.
f^ ist der Fluß in einem feldorientierten System und wird auch als Rotorfluß fr bezeichnet, wenn f^ Null ist. In einem nicht abgeglichenen System ist der Querfluß aber nicht Null und die Feldorientierung auch nicht erfüllt. Wird der Querfluß, der aus uld und u(q bestimmt wird, auf Null geregelt, so ergibt sich eine vollständig kompensierte - der Querfluß wird durch Regler kompensiert - Feldorientierung.f ^ is the flux in a field-oriented system and is also referred to as rotor flux f r if f ^ is zero. In a system that is not adjusted, the cross flow is not zero and the field orientation is not fulfilled either. If the cross flow, which is determined from u ld and u (q , is regulated to zero, the result is a completely compensated - the cross flow is compensated by a controller - field orientation.
Die Regler 20,30 in Bild 2 und 3 können auch Proportionalregler mit einerThe controllers 20, 30 in Figures 2 and 3 can also be used with proportional controllers
Verstärkung von Kp = 1 oder größer sein. Der besonders einfache Fall Kp=1 hat in den meisten Fällen gute Ergebnisse gebracht. Insgesamt ist die Struktur der Regler,
insbesondere in der Struktur von Bild 3, unkritisch. Es eignen sich sowohl P-, Pl-, PID-Regler für den frq-Regler 20 oder 30.Gain of Kp = 1 or greater. The particularly simple case Kp = 1 has brought good results in most cases. Overall, the structure of the controllers, especially in the structure of Figure 3, not critical. Both P, Pl and PID controllers are suitable for the f rq controller 20 or 30.
Ein noch nicht dargestellter Effekt ist das Verhalten bei Parameter- und Meßfehlern in der Bestimmung der induzierten Spannungen. In vielen Fällen kann dieAn effect that has not yet been shown is the behavior in the case of parameter and measurement errors in the determination of the induced voltages. In many cases, the
Berechnung von u,d und uιq vereinfacht werden. Bei geringen dynamischen Anforderungen kann auf die Spannungsabfälle an den Streuungen und die durch die Flußänderung verursachten Spannungsabfälle verzichtet werden. Es gelingt in der praktischen Anwendung nicht, völlig frei von Fehlern uld und uιq zu bestimmen. Derartige Fehler führen dann zu einem unrunden Lauf der Maschine nahe demCalculation of u, d and u ιq are simplified. In the case of low dynamic requirements, the voltage drops at the scatter and the voltage drops caused by the change in flow can be dispensed with. In practical application it is not possible to determine completely free of errors u ld and u ιq . Such errors then lead to a rough running of the machine near the
Stillstand. Um die Auswirkungen der Fehler gering zu machen kann es sinnvoll sein, die Zweipunktregler (Signum Funktion) in Bild 2 und 3 durch zumindest teilweise annähernd lineare Regler mit endlicher Verstärkung und Begrenzung zu ersetzen, wie in Bild 4 veranschaulicht. Kleine Fehler in f^ werden damit nahe dem Stillstand keine starken Eingriffe in ωmr haben. Dies führt jedoch z.B. im Fall der Drehzahl Null dazu, daß ωmr nicht mehr vollständig richtig bei einem nicht integrierenden Regler bestimmt wird. Im geschlossenen Regelkreis wird die Drehzahl der Maschine nicht mehr vollständig richtig beobachtet und damit eine Fehlorientierung im geringen Maß zu akzeptieren.Standstill. In order to minimize the effects of the errors, it can make sense to replace the two-point controller (Signum function) in Figures 2 and 3 with at least partially approximately linear controllers with finite gain and limitation, as illustrated in Figure 4. Small errors in f ^ will therefore have no major interference in ω mr near standstill. However, in the case of zero speed, for example, this means that ω mr is no longer determined correctly in the case of a non-integrating controller. In the closed control loop, the speed of the machine is no longer observed correctly and thus a slight misorientation can be accepted.
Es ist natürlich so, daß die Vermeidung von Fehlern in der Bestimmung von uld und u,q immer vorteilhaft für die Drehzahl und Drehmomentlinearität des Systems ist. Die Identifikation von Rs und Ls sowie eine genaue Messung der Ströme und Spannungen sind deshalb vorteilhaft. Durch die Erfindung wird es jedoch möglich, restliche verbleibende Fehler zu kompensieren. Neben linear begrenzten Reglern können auch nichtlineare Regler eingesetzt werden. Die induzierten Spannungen lassen sich aus den gemessenen Statorspannungen und der entsprechenden Gleichung 1 oder 5 und 6 zu berechnenden Spannungsabfällen in einem Stator¬ oder Rotor- oder auch gemischt berechnen.It is of course the case that the avoidance of errors in the determination of u ld and u, q is always advantageous for the speed and torque linearity of the system. The identification of R s and L s and an accurate measurement of the currents and voltages are therefore advantageous. However, the invention makes it possible to compensate for remaining errors. In addition to linearly limited controllers, non-linear controllers can also be used. The induced voltages can be calculated from the measured stator voltages and the corresponding equations 1 or 5 and 6 voltage drops to be calculated in a stator or rotor or else in a mixed manner.
Meist ist die Statorspannung zur Berechnung der induzierten Spannung (durch Messung) bekannt. Um eine Strommessung kommt man nicht herum, die
Spannungsmessung kann aber umgangen werden, da sie keine innere Dynamik außer den Laufzeiten der Leistungsschalter aufweisen, die jedoch meistens vernachlässigt werden können. Bei schnell schaltenden Umrichtern können die Spannungen am Ausgang des Umrichters nicht nur durch die Zwischenkreisspannung sondern auch durch die Totzeiten und Spannungsabfälle der Schalter beeinflußt werden. Eine Totzeit-Kompensation ist deswegen in vielen Fällen erforderlich, wenn anstelle der Spannungsmessung der Modulationsgrad mulipliziert mit der Zwischenkreisspannung (die gemessen werden sollte oder als Konstante bekannt ist) als Ersatz für die Spannungsmessung genutzt werden soll.Usually the stator voltage for calculating the induced voltage (by measurement) is known. You can't avoid a current measurement Voltage measurement can be bypassed, however, since they have no internal dynamics other than the operating times of the circuit breakers, which, however, can mostly be neglected. With fast switching converters, the voltages at the converter output can be influenced not only by the DC link voltage but also by the dead times and voltage drops of the switches. Dead time compensation is therefore necessary in many cases if, instead of the voltage measurement, the degree of modulation multiplied by the intermediate circuit voltage (which should be measured or is known as a constant) is to be used as a replacement for the voltage measurement.
Bild 5 zeigt ein Beispiel einer kompletten feldorientierten Reglung der Drehfeldmaschine (DAM) mit einer ωmr oder p Bestimmung entsprechend Bild 3. Es zeigt bei XR die ωmr Bestimmung entsprechend Bild 3 sowie die bekannten Regelkreise und Modelle für die Regelung in einem feldorientierten System, f^ wird aus einem isd-Fluß-Modell FM gewonnen, wie es in Regelungen mit Rotorlagegebern eingesetzt wird. Die Regelung beinhaltet die aus der Feldorientierung bekannten Stromregler 50d, 50q für isd und isq und überlagert den Feld- und Drehzahlgeber 60. Der Istwert des Drehzahlreglers wird durch einen Drehzahlbeobachter DB bestimmt. Dabei wird ωr oder die Schlupfrequenz aus einem Rotormodell über ωr = isq • RR/frd bestimmt.Figure 5 shows an example of a complete field-oriented control of the induction machine (DAM) with an ω mr or p determination according to Figure 3. It shows the ω mr determination according to Figure 3 with XR as well as the known control loops and models for control in a field-oriented system, f ^ is obtained from an i sd flow model FM, as used in controls with rotor position sensors. The control includes the current controllers 50d, 50q for i sd and i sq known from the field orientation and superimposes the field and speed sensor 60. The actual value of the speed controller is determined by a speed monitor DB. Here ω r or the slip frequency is determined from a rotor model via ω r = i sq • R R / f rd .
Es ergibt sich ein der Gleichstrommaschine ebenbürtiger Betrieb, auch um den Stillstand herum. Bei einer Synchronmaschine (DSM) ist ωr= 0. Für eine genaue Identifikation von ωmr und p ist eine gute Kenntnis von ujd und uiq hilfreich. Winkelfehler werden ausschließlich durch Fehler in der Bestimmung von ujd und ujq verursacht. Die Fehler lassen sich aber durch Messung von Spannung, Strom und Parameteranpassung von Rs, Ls vernachlässigen. Somit ist dieses Verfahren zur sensorlosen Feldorientierung sogar für lagegeregelte Antriebe (Servoantriebe) geeignet.The result is an operation equal to that of the DC machine, even around standstill. In a synchronous machine (DSM), ω r = 0. A good knowledge of u jd and u iq is helpful for an accurate identification of ω mr and p. Angular errors are caused exclusively by errors in the determination of u jd and u jq . However, the errors can be neglected by measuring voltage, current and parameter adjustment of R s , L s . This method is therefore suitable for sensorless field orientation even for position-controlled drives (servo drives).
Bild 6a ist ein Hochlauf des eingangs erwähnten Asynchron-Servomotors mit Darstellung der wesentlichen Maschinengrößen. Bild 6b ist ein Vergleichsbeispiel,
13Figure 6a is a ramp-up of the asynchronous servo motor mentioned at the outset, showing the main machine sizes. Figure 6b is a comparative example, 13
bei dem dieselben Maschinengrößen graphisch dargestellt werden, nur bei einer anderen feldorientierten Regelung als bei Bild 6a. Letzteres Bild zeigt die mechanische Winkelgeschwindigkeit ωs des Rotors und die Statorspannung us im oberen bzw. unteren Halbbild, wenn der Servoantrieb mit der kompensierten feldorientierten Regelung (Statormodell zur Feldorientierung) gemäß der Schaltung von Bild 3 oder Bild 4 im Systemschaltbild 5 betrieben wird. Die Solldrehzahl ωso„ steigt bei etwa 50msec von Null auf dreifache Nenndrehzahl, bei etwa 20% verbleibendem Fluß im Feldschwächbereich. Auch bei Beginn des zweiten Feldschwächbereichs (Erreichen der Stromgrenze von iq(t) mit abnehmendem Drehmoment mmo1(t)) zeigt sich bei der KFO eine weiterhin bestehende Stabilität, während die NFO in Bild 6b beginnt, mit erheblichen Schwingungen in der Statorspannung us Orientierungsfehler des Flusswinkels p (rho) in deutlichem Ausmaß zu zeigen. Auch im dritten Feldschwächbereich, wo der Servomotor an der Schlupfgrenze arbeitet, bleibt das KFO-Regelsystem in Bild 6a stabil, während das NFO-Regelsystem besonders hohe Schwingneigung zeigt.where the same machine sizes are shown graphically, only with a different field-oriented control than in Figure 6a. The latter figure shows the mechanical angular velocity ω s of the rotor and the stator voltage u s in the upper or lower field when the servo drive is operated with the compensated field-oriented control (stator model for field orientation) according to the circuit in Figure 3 or Figure 4 in the system circuit diagram 5. The target speed ω thus “increases from zero to three times the nominal speed at approximately 50 msec, with approximately 20% remaining flux in the field weakening range. Even at the beginning of the second field weakening range (reaching the current limit of i q (t) with decreasing torque m mo1 (t)), the KFO continues to show stability, while the NFO in Fig. 6b begins with considerable vibrations in the stator voltage u s To clearly show orientation errors of the flow angle p (rho). Even in the third field weakening area, where the servo motor works at the slip limit, the orthodontic control system in Figure 6a remains stable, while the NFO control system shows a particularly high tendency to oscillate.
Die Betriebskenngrößen des Drehfeldmotors sind in beiden Bildern 6a und 6b gleich bezeichnet, auch die Zeitachse t (time) hat gleichen Maßstab. So ist ein direkter wertender Vergleich möglich. Die Signalverläufe in den erwähnten Bildern sind entstanden mit einer Abtastfrequenz des Reglers von 20kHz. Dargestellt ist einThe operating parameters of the rotating field motor are identified in the same way in both figures 6a and 6b, and the time axis t (time) also has the same scale. So a direct judgmental comparison is possible. The signal curves in the pictures mentioned were created with a sampling frequency of the controller of 20 kHz. A is shown
System mit Messung der für die Regelung notwendigen Maschinensignale. Einfach vorstellbar ist, daß die Schwingneigung des NFO-Systems an den kritischen Punkten im zweiten und dritten Feldschwächbereich noch weiter verstärkt wird, wenn mit empfindlicherer sensorloser Regelung des Servomotors gearbeitet wird. Die Kenngroessen in den Bildern 6 sind:System with measurement of the machine signals necessary for the control. It is easy to imagine that the tendency of the NFO system to vibrate is further increased at the critical points in the second and third field weakening range when working with more sensitive sensorless control of the servo motor. The parameters in Figure 6 are:
Die mechanische Winkelgeschwindigkeit ist ωs(t) Die Winkelgeschwindigkeit des Rotorflusses fr ist ω^t) Der Sollwert der Winkelgeschwindigkeit ist ωsol|(t) Die Statorspannung ist us(t) Der Querstrom ist iq(t), der Längsstrom ist id(t)The mechanical angular velocity is ω s (t) The angular velocity of the rotor flux f r is ω ^ t) The nominal value of the angular velocity is ω sol | (t) The stator voltage is u s (t) The cross current is i q (t), the longitudinal current is i d (t)
Das Motor-Drehmoment ist mmot(t).
Stand der Technik:The engine torque is m mot (t). State of the art:
[I] Blaschke, F.: Das Verfahren der Feldorientierung zur Regelung der Asynchron¬ maschine. Siemens Forschungs- und Entwicklungsberichte 1 (1972)1 , S. 184-193. [2] Leonhard, W.: Mikrorechner in der elektrischen Antriebstechnik. Interkama-Kongreß 1980, S. 637.[I] Blaschke, F .: The method of field orientation for controlling the asynchronous machine. Siemens Research and Development Reports 1 (1972) 1, pp. 184-193. [2] Leonhard, W .: Microcomputer in electrical drive technology. Interkama Congress 1980, p. 637.
[3] Gabriel, R., Leonhard, W., Norby, C: Regelung der stromrichtergespeisten[3] Gabriel, R., Leonhard, W., Norby, C: regulation of the converter-fed
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[4] Gabriel, R.: Mikrorechnergeregelte Asynchronmaschine, ein Antrieb für hohe dynamische Anforderungen. Regelungstechnik 32 (1984) 1 , S. 18-26.[4] Gabriel, R .: Microcomputer-controlled asynchronous machine, a drive for high dynamic requirements. Control Technology 32 (1984) 1, pp. 18-26.
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[7] Jönsson, R.: Direct, Indirect and Natural Field Orientation (NFO) for Control of the AC Induction Motor. Manuscript, 1995.[7] Jönsson, R .: Direct, Indirect and Natural Field Orientation (NFO) for Control of the AC Induction Motor. Manuscript, 1995.
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Vol. 3, No. 6, Nov/Dec 1993, S. 397-405.Vol. 3, No. 6, Nov / Dec 1993, pp. 397-405.
[10] Rapp, H.: in EP 92 10 6811 (eP 570 602) und P 42 09 305.[10] Rapp, H .: in EP 92 10 6811 (EP 570 602) and P 42 09 305.
[I I] Blaschke, F.: in EP 127 158, insbes. dortige Fig. 1 bis 4 und Seiten 7, 8, aber ohne wirkliche Regelung des dort vernachlässigten Querflusses f^. [12] Blaschke, F.: in US 4, 626,761 , insbes. dortige Fig. 1 und Spalte 4, wo ein[I I] Blaschke, F .: in EP 127 158, in particular FIGS. 1 to 4 and pages 7, 8 there, but without any real regulation of the transverse flow f ^ neglected there. [12] Blaschke, F .: in US 4, 626,761, in particular FIG. 1 there and column 4, where a
Beobachter beschrieben wird, der den Flußwinkel in Polarkoordinaten nachbildet. [13] Jötten/Mäder: in DE 33 32 567, dort Bild 3, Funktionsglied 317 und Bild 1 , Regler 12, die aber beide im Rotor-Flußsystem arbeiten, wobei die dortige Signum Funktion 15 in der Rückkopplung des Reglers 12 arbeitet. Dortiges ω., ist nicht der Drehwinkel des Flußvektors, sondern derjenige der Rotor-EMK.An observer is described who simulates the flow angle in polar coordinates. [13] Jötten / Mäder: in DE 33 32 567, there Figure 3, function element 317 and Figure 1, controller 12, but both of which work in the rotor flux system, the Signum function 15 working there in the feedback of the controller 12. There ω. Is not the angle of rotation of the flux vector, but that of the rotor EMF.
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